Protokolle 2004 - GWDG: Benutzer

PROTOKOLLSAMMLUNG: Schulversuche zur
Humanbiologie, Teil in der Zoologie, Prof. Hustert,
SS2004.
**) neu oder *) erstmals in diesem Praktikum
Biomechanische Modelle
Modell: Konstruktion des Fußgewölbes
Eickmann, Britta; Wimschulte, Philip; Müller, Peter
S. 2
**Funktionsmodell: Funktion der Kniescheibe
Müller, Sandra; Klingbeil Christian; Henseleit, Marie
S. 5
**Funktionsmodell: Gluteus medius beim Laufen (>>Bipedie)
Endig, Holger; Schaare-Schlüterhof, Anja; Baumgarten, Berit
S. 12
**Modell mit Messung: Hebel des Kiefers gelenkfern und –nah
Brandt, Sabrina; Wallenstein, Kathrin; Schmitz, Jessica
S. 15
Sinnesorgan-Modelle
**Modell: Mittelohr / Gehörknöchelchen:
Mahlmann, Tanja; Sturmfels, Antje; Rechenberg, Leif-Erik
S. 18
**Modell: Linse + Ciliarmuskel
Krause, Sibylle ; Frey, Alexandra; Kohlmorgen, Nadine
S. 22
Funktionsmodell eines Gleichgewichtsorgans mit Sensor
Grams, Tobias; Schlichte, Merle; Weinrich, Anja
S. 27
Experimente
*Farbsehen: LED-Platte mit RGB vor Milchglas
Golomek, Annika-Christiane; Künstler, Philipp; Schulze, Britta
S. 35
*Modell: Wärmeisolation der Körperoberfläche
Heer, Christina; Riediger, Sonja; Wiederhold, Nina
S. 38
Muskelbiologie mit in Schulen einsetzbarer Ausrüstung
Fadavi, Azadeh; Koch, Dorothea; Novak, Alexandra
S. 43
Zielbewegung / Entscheidungsgeschwindigkeit
Frie, Tabea ; Heitmann, Nicole; Deuster, Annalena
S. 47
*Registrierung schneller Bewegung mit LED-Stroboskop
Beerlink, Johannnes
S. 49
Verwendete Kleingeräte: Funktionen und Selbstbau
S. 56/58/59/60
a) Differenzverstärker b) Stroboskop c) Lichtschranke d) VCO (Gleichspannung hörbar)
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Biomechanische Modelle
Die Bedeutung des Fußgewölbes
Britta Eickmann, Peter Müller, Philip Wimschulte
1. Theorie:
Das Fußgewölbe lässt sich grundsätzlich mit einem gemauerten Brückengewölbe vergleichen:
Allerdings gibt es auch bedeutsame Unterschiede:
Bei der Brückenkonstruktion drücken alle Steine auf das Widerlager, der Bogen hält sich von
selbst. Das Fußgewölbe hingegen hält erst durch Kapseln, Muskeln und Bänder. Der Fuß
federt und ermöglicht dem Menschen so kleine ausgleichende Bewegungen. Außerdem
können so Erschütterungen, die sonst direkt auf Wirbelsäule und Kopf einwirken, abgefangen
werden. Das Fußgewölbe erfüllt somit folgende Aufgaben:
- Dämpfung des Auftritts
- Ausgleichen von Bodenunebenheiten (hierfür ist auch Muskelleistung nötig)
Aufgrund dieser Konstruktion kann der Mensch auf seinen Füßen „einfach stehen“, wobei die
Auflagefläche des Fußes so gering wie möglich gehalten wird.
Insgesamt gibt es beim gesunden Fuß nur 3 Auflagepunkte:
- Großzehenballen
- Kleinzehenballen
- Ferse
Auf diese Weise kann das gesamte Körpergewicht des Menschen, was beim
Gehen und Stehen vollständig auf dem Fußgewölbe lastet, gehalten werden.
Ein weiterer bedeutsamer Aspekt ist die Energiespeicherung in Achillessehne und
Fußgewölbe:
Wenn der Fuß beim Laufen während der Landung zusammengepresst wird, dann streckt sich
die Achillessehne, um sich beim Absprung, wenn der Fuß auf den Zehen ruht, wieder
zusammenzuziehen. Auf diese Weise wird bis zu 40% der beim Aufprall des Fußes
absorbierten Energie in der Achillessehne gespeichert und beim Absprung des Fußes wieder
freigesetzt und damit für den Vortrieb nutzbar gemacht.
Ebenso wird das Längs- und das Quergewölbe des Fußes eingedrückt und dabei werden etwa
70 % der im eingedrückten Gewölbe gespeicherten Energie bei der Rückformierung des
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Gewölbes während der Absprungphase des Fußes wieder freigegeben. Auch dieses dient dem
Vortrieb während des Laufens.
Die Energieabsorbtion ist im Wesentlichen abhängig vom Untergrund. Versuche haben
gezeigt, dass eine 5-8 mm dicke Bahn für Läufer am effektivsten ist. Bis zu 90% der in der
Bahn gespeicherten Energie können so zurückgegeben werden.
2. Fußknochen:
Unser Modell zeigt folgende Fußknochen:
-
Wadenbein (Fibula)
Fersenbein (Calcaneus)
Sprungbein (Talus)
Kahnbein (Os naviculare)
Keilbein (Os cuneiforme)
Mittelfußknochen (Os metatarsi)
Zehengrundglied (Phalanx promimalis)
Großzehenglied (Phalanx distalis hallucis)
Plantaraponeurose (Aponeurosis plantaris)
3. Fußgewölbe:
-
besteht aus Längsbogen (Längswölbung) und Querbogen (Querwölbung)
Verwindungskonstruktion, [beim Abrollen bildet sich großer Zeh als Widerlager aus.]
Verspannung der Bögen durch Bänder/Fußmuskeln, Muskeln sind aktives
Verspannungssystem, [ohne sie hält Bandkonstruktion nicht] Folge: Plattfuß
Last des Körpers wirkt über Unterschenkel auf Gewölbe Neigung, sich abzuflachen
Bänder/Muskeln wirken der Tendenz entgegen: straffe Bänder, Endsehnen langer
Unterschenkelmuskeln halten Fußgewölbe in Form
4. Bedeutung des Fußgewölbes:
Schäden des Fußgewölbe – Auswirkungen auf Hüftgelenk
-FG leistet Beitrag zur Verringerung der Gelenkbelastung, ( Federt auch Erschütterungen auf
Kopf und Wirbelsäule ab)
Fuß als Kontaktpunkt des Körpers zur Unterlage , Fußmuskulatur ist in Zusammenhang
mit hüftgelenksumgebender Muskulatur
bei Abflachung des FG: Verringerung der Stoßdämpferwirkung des Hüftgelenkes
Belastung
starke
weitere Probleme
Zweck Fußgewölbe: Auflagefläche sehr gering halten : FG hat 3 Stützpunkte Großzehballen,
Außenzehballen, Ferse
Belastung wird aufgenommen und gedämpft, in Abstoßhase
Entspannung des Gewölbes
wirkt so als Energie Impulsgeber --> Auflagefläche nur im
Zehen und Fersen Bereich---------------------- Bei Sehnenerschlaffen, Fußgewölbe wird
nicht gehalten, Mittelfuß senkt sich ab, (Senkfuß ist entstanden), auch Plattfuß genannt
Verschlimmerung: Fersensporn
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Fersenknochen wird anders belastet, erhält an der Vorderkante einen höheren Druck.
Spornbildung,-> Struktur(Fußanomalie) die Gewebereizung hervorruft, Entzündungen, die
verursachen weitere Vergröß. d. Sporns, alles recht schmerzhaft
Verursacht durch: 1) Druck/Zug bei Überbelastung 2) ungünstiges Schuhwerk 3)
Übergewicht
Therapie: Gewichtsreduktion oder Fersenkissen mit (Locheinlage), Schuhwerkwechsel
Ultraschalltherapie oder Stoßwellentherapie um Sporn zu zerstören, notfalls OP (regionaler
Anästhesie oder Vollnarkose) 30-60 Minuten recht schwerwiegend
Vorkehrungen: beste Sache: passendes Schuhwerk ( Druckreizungen, Begünstigungen von
Fehlstellen werden vermieden),
zu empfehlen ist auch Barfuß Laufen: Fußdeformationen durch Einengung/ Druckpunkte
wird vorgebeugt
5. Bau des Modells:
Vor dem Bau des Modells muss die Entscheidung gefällt werden, was die für unsere Versuche
relevanten Teile des Fußgewölbes sind. Je nach Versuch können andere Knochen des Fußes
wichtig sein. Da wir die Stützfunktion analog zu einer Rundbogenbrücke zeigen wollten,
entschieden wir uns für ein zweidimensionales Modell, dass der medialen Ansicht des Fußes
entspricht. Allerdings sind dann auch die Knochen wegzulassen, die im Bild teilweise (weil in
zweiter Ebene liegend) zu sehen sind.
Wir reduzierten das Modell auf folgende Knochen:
- Calcaneus
- Talus
- Os naviculare
- Ossa cuneiformia (zu einem verschmolzen)
- Os metatarsi (des großen Zeh)
- Ossa phalanges (des großen Zeh)
Die Knochen haben wir aus einer Schichtholzplatte mit 1,5cm Stärke mit einer Stichsäge
ausgesägt. Die genaue Form wurde durch schmirgeln erreicht. Sie ist wichtig, da das ohnehin
schon sehr reduzierte Modell sonst an den Berührungsflächen der Knochen keinen Halt hat
und schlechte Beweglichkeit erhält.
Anschließend müssen die Knochen elastisch miteinander verbunden werden. Das folgende
Bild verdeutlicht die Vielzahl an Bändern, die ein Fußgewölbe verspannen:
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Auch hier muss die Vorlage entsprechend den an das Modell gestellten Ansprüche reduziert
werden.
Alte Fahrradschläuche haben ein gutes Verhältnis zwischen Elastizität und Stabilität, so dass
sie sich als Modell-Bänder sehr gut eignen. Die einzelnen Knochen wurden von beiden Seiten
mit einer gewissen Grundspannung verbunden. Das eigentliche Fußgewölbe wurde mit einer
langen, zusammenhängenden „Sehne“ von beiden Seiten verspannt, um eine zusätzliche
Steifigkeit zu erreichen. Zur Befestigung dienen kleine Nägel bzw. Reißzwecken.
Die Plantaraponeurose und die Achillessehne wurden entsprechend der Vorlage
(Anatomieatlas) ergänzt.
Das Ergebnis ist ein Modell eines Schnittes des Fußes in der Sagittalebene mit den
wichtigsten Bändern. Damit lassen sich z.B. das Abrollverhalten eines Fußes zeigen sowie die
Stützfunktion und Fehlstellungen (hochhackige Schuhe, etc...)
Funktionsmodell des Kniegelenks mit besonderem Fokus
auf die Kniescheibe
Marie Henseleit, Sandra Müller, Christian Klingbeil
1. Theoretische Einführung
1.1 Bänder
(Zur weiteren Verdeutlichung siehe Folien im Anhang dieses Protokolls)
Die wichtigsten Bänder am Knie sind die Seiten- und die Kreuzbänder. Sie sind für die
Stabilität und Funktion des Knies verantwortlich.
Bei gestrecktem Knie sind das Außen- und Innenband gespannt und verhindern somit die
Kreiselung und Seitenbewegung des Knies. Sie stellen das Knie fest. Je mehr das Knie
gebeugt wird, desto stärker lockern sich die Seitenbänder durch den kleineren
Krümmungsradius und eine Kreiselung wird möglich. Krankhafte Lockerungen der Bänder
bewirken ein Aufklaffen des Gelenkspalts. Sind die Außenbänder gelockert, so folgen OBeine. Bei Lockerung der Innenbänder ergeben sich X-Beine.
Das Innenband ist das breitere von beiden und verläuft von der medialen Gelenkrolle des
Oberschenkelknochens zum medialen hinteren Rand des Schienbeinkopfes. Außerdem ist
dieses Band mit dem medialen Meniscus verwachsen, weshalb die innere Gelenkrolle in
Beugestellung weniger Spielraum hat als die äußere. Zusammen mit der Gelenkkapsel
verhindert es ein Aufklappen des Gelenkspalts.
Das Außenband zieht von der lateralen Gelenkrolle zum seitlich abstehenden Wadenbeinkopf,
wodurch es von der Gelenkkapsel abgehoben wird.
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Die beiden Kreuzbänder bilden die sogenannten zentralen Pfeiler des Kniegelenks. Sie
befinden sich in der Kniemitte.
Das vordere Kreuzband entspringt an der inneren Fläche der lateralen Gelenkrolle des Femur
und ist mit dem anderen Ende vorn zwischen den Schienbeintellern befestigt. Es verhindert
ein Weggleiten des Unterschenkelknochens gegen den Oberschenkelknochen.
Das hintere Kreuzband entspringt an der vorderen medialen Innenfläche des Femur und
verläuft nach schräg hinten in die Mitte der Schienbeinkopfrückseite.
Die Kreuzbänder sind so gelagert, dass in fast jeder Stellung des Kniegelenks Teile von ihnen
unter Spannung stehen. Sie bilden eine wesentliche Sicherung des Kniegelenks, besonders bei
der Beugung. Reißen die Bänder ab, so können die Knochen nach vorn und hinten
gegeneinander verschoben werden. Bei der Streckung spannen sich der vordere Anteil des
vorderen Kreuzbandes und der hintere Anteil des hinteren. Bei der Einwärtskreiselung des
Unterschenkels wickeln sich die Kreuzbänder umeinander, wodurch diese Bewegung schnell
gehemmt wird. Die Auswärtskreiselung ist die einzige Bewegung, die von den sich
abwickelnden Bändern völlig freigegeben ist.
Die bedeutendste Sehne ist die Patellasehne. Sie verläuft vom Quadrizeps des Femur über die
Vorderseite des Knies als starker Strang über die Patella zur Tibia. Oberhalb der Patella wird
diese Sehne noch als Quadrizepssehne bezeichnet. Rechts und links der Patella befinden sich
derbe Faserstreifen, die mit den Sehnen des Quadrizeps zusammenhängen. Die ganze
Vorderwand der Gelenkkapsel mit Bändern und Sehnen wirkt als Zuggurtung bei gebeugtem
Knie.
1.2 Zur Mechanik der Kniescheibe
Der Kniescheibe kommt neben allgemeinen Stütz- und Stabilisierungsfunktionen eine
mechanische Umlenkfunktion zu. Diese steht im Zentrum unseres zweidimensionalen
Modells und soll daher hier kurz erläutert werden.
Um sich diese spezielle Funktion zu verdeutlichen, ist es sinnvoll, zunächst eine
hypothetische Situation ohne Kniescheibe zu betrachten.
(1)
Der Oberschenkelmuskel wirkt eine rückziehende
Kraft in Pfeilrichtung aus (1). Selbst im Idealfall, in
dem keinerlei Reibungskräfte über das Knie hinweg
angenommen werden, ist die Kraftübertragung am
Ansatzpunkt der Sehne (2) besonders ungünstig.
Dies zeigt sich auch in unserem Modell, sofern die
Kniescheibe heraus genommen ist: es benötigt viel
Kraft, um den „Unterschenkel“ aus dieser Position
in die gestreckte Position zu bringen. Die Gründe
dafür verdeutlicht eine vektorielle Zerlegung der am
Schienbeinansatzpunkt wirkenden Kraft in x- und yKomponenten. Bedingt durch den flachen Winkel
der resultierenden Kraft ist der in x- Richtung
wirkende Anteil besonders klein. Genau in dieser
Richtung muss sich aber der Unterschenkel zunächst
bewegen, soll das Bein durchgestreckt werden.
(2)
x
Resultierende Kraft
6
Setzt man nun im Modell die Kniescheibe ein, muss
deutlich weniger Kraft aufgewendet werden. Der
Grund dafür zeigt sich in nebenstehendem Schema:
Die Kniescheibe, eingelagert in die Patellasehne,
verändert den Winkel der Kraftwirkung am
Ansatzpunkt am Schienbein. Der steilere Winkel dort
hat einen größeren x- Betrag der wirkenden Kraft zur
Folge. Somit kann mehr ausgeübte Muskelkraft für
die tatsächliche Auslenkung des Schienbeins wirksam
werden; der Muskel (oder am Modell: die
Schülerin/der Schüler) muss weniger Kraft aufwenden
als im Fall ohne Kniescheibe.
y
2. Das Modell
2.1 Materialien
Als Auflage:
Für das Funktionsmodell:
Muskel:
Sperrholzplatte 30*60*2 cm, überklebt mit Tonkarton
Sperrholz (weiß furniert) 25*25*2 cm
Einweckring
Overheadprojektorfolie
Nägel, 2 Kreuzschlitzschrauben, Draht
1 Ösenschraube
Akkuschrauber, Stichsäge, Feile
ideal: Federkraftmesser
Ersatzweise rotes Gummi
2.2 Bau des Modells
Das Röntgenbild der Knochen (s. Anhang) wurde auf die Sperrholzplatte gepaust,
Oberschenkelknochen, Kniescheibe und Schienbein mittels Stichsäge ausgesägt. Das
Wadenbein wurde aus Gründen der Stabilität weggelassen. Die „Gelenkflächen“ wurden so
glatt wir möglich gefeilt, um Reibungskräfte zu minimieren.
Der „Oberschenkelknochen“ wurde mittels Akkuschrauber auf der Auflageplatte befestigt.
Das „Schienbein“ wurde zunächst mit einem „Außenband“ (Einweckring) an der linken Seite
locker (Abstand der Knochen in 90° Stellung ca. 2cm, sonst funktioniert es nicht) am
„Oberschenkel“ befestigt. Als Sehnenansatzpunkt wurde seitlich eine Ösenschraube in den
„Knochen“ gedreht.
Aus der Folie wurden zunächst zwei 1cm breite Streifen geschnitten. Diese wurden an beiden
Enden durchstochen und mit Draht aneinander befestigt. Die eine Seite der so
übereinanderliegenden „Sehnen“ wurde mit Draht an der Ösenschraube befestigt, an der
anderen Seite am „Muskel“ (Federkraftmesser/ Gummi).
Um zu verhindern, dass die „Sehnen“ während des Ziehens vom „Oberschenkel“ abrutschen,
wurde aus dem Rest der Overheadprojektorfolie eine Führung auf den Oberschenkel mittels
Nägeln befestigt.
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2.3 Das fertige Modell
Führungsfolie, aufgenagelt
Oberschenkel
Sehnen aus Folie
Patella
Gummimuskel
Außenband
Ösenschraube
Schienbein
2.4 Funktion
Eine Schülerin/ ein Schüler kann zunächst bei herausgenommener Kniescheibe versuchen, das
„stilisierte Bein“ durchzustrecken. Zugrichtung beachten: Nur der Zug am
Oberschenkelknochen entlang ist erlaubt! Anschließend wird die Kniescheibe eingesetzt und
erneut das „Bein“ gestreckt. Man braucht weniger Kraft.
Alternativ kann das Modell auch zur Demonstration durch die Lehrkraft eingesetzt werden.
Dann jedoch ist ein Federkraftmesser vonnöten, um die unterschiedlichen Kraftbeträge
deutlich darzustellen.
3. Diskussion
Das Modell eignet sich für die Mittelstufe. Unser Modell funktionierte zu unserer
Zufriedenheit, eine Studentin, die als „Versuchsperson“ fungierte, bestätigte die Fühlbarkeit
der unterschiedlichen Kräfte. Dennoch war der Effekt nicht allzu deutlich spürbar, da uns
leider kein Federkraftmesser zur Verfügung stand. Dieser dürfte jedoch in einer Schule leicht
aus der Physiksammlung ausleihbar sein.
Die Herstellung des Modells ist nicht besonders aufwendig, die verwendeten Materialien
kostengünstig (Sperrholzplatten, auch lackiert, gibt es als Zuschnittreste im Baumarkt).
Der größte Schwachpunkt des Modells ist die grobe Reduktion von Bau und Funktion des
Kniegelenks. Fast alle Sehnen wurden weggelassen, dem Modell fehlt Dreidimensionalität.
Für eine umfassende Besprechung dieses komplizierten Gelenks reicht das Modell bei weitem
nicht aus, es kann lediglich einen kleinen Teilaspekt des großen Komplexes „Knie“ darstellen.
4. Anhang
Röntgenbild des Knies zum Größerkopieren und Durchpausen:
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Folien zur Verdeutlichung der Theorie:
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Bipedie des Menschen
Funktionsmodell: Gluteus medius beim Laufen
Berit Baumgarten, Holger Endig, Anja Schaare – Schlüterhof
1.Aspekte der Evolution
Es gibt viele Theorien, wie der aufrechte Gang des heutigen Menschen entstanden ist. Mit
hoher Wahrscheinlichkeit kann man heute davon ausgehen, dass dieser im wesentlichen im
ausgehenden Tertiär, vor etwa 7 bis 4 Millionen Jahren, entstanden ist. Erst, nachdem der
aufrechte Gang als gewöhnliche Fortbewegungsweise ausgeübt wurde, kam es vor allem im
anschließenden Pleistozän zur typisch menschlichen Entwicklung von Schädel, Gehirn und
Gebiss.
Es ist anzunehmen, dass eine evolutiv zunehmende Körpergröße unsere Vorfahren zwang,
sich mehr und mehr an das Leben auf dem Boden anzupassen.
Es erscheint heute auch eher wahrscheinlich, dass sich der aufrechte Gang noch im Wald
entwickelt hat, als in der Steppe und Savanne. Die Hypothese, dass das Aufrichten in hohem
Steppengras von Vorteil gewesen sei, um nach Fressfeinden Ausschau zu halten, steht auf
wackeligen Beinen, da diese Betrachtungsweise sich auf den reinen Umweltaspekt bezieht.
Man darf auch nicht den aufrechten Stand und den aufrechten Gang verwechseln. Zu ersterem
sind viele Säugetiere fähig, zu letzterem nur der Mensch.
Vielmehr bildet der aufrechte Gang erst die Voraussetzung für einen erfolgreichen Übergang
in diesen Lebensraum. Untersuchungen der chemischen Zusammensetzung des Bodens in
vielen Teilen Ostafrikas hat ergeben, dass sich die afrikanische Savanne erst vor 3 Millionen
Jahren entwickelt hat, lange nachdem es bereits die ersten zweibeinigen Hominiden gab.
Die Vorstellung, dass sich die Ausprägung der Bipedie noch im Wald entwickelt hat, bestätigt
sich auch heute am Beispiel des Berggorillas, der sich unter allen heutigen Menschenaffen am
meisten auf dem Boden, und zwar dem des Regenwaldes bewegt. Die Berggorillas sind in
ihrer Konstruktion auch am weitesten auf die biomechanischen Erfordernisse des aufrechten
Ganges eingestellt.
Als die Wälder zurückgingen, lagen die in bewaldeten Habitaten vorkommenden
Nahrungsquellen wie etwa Obstbäume zu weit auseinander, um von den bisherigen Affen
effizient genutzt werden zu können. Mit ihren Händen konnten die menschlichen Vorfahren
u.a. Werkzeuge gebrauchen, um leichter Früchte von Bäumen pflücken zu können, mehr
Beute transportieren als zuvor und in seichtem Wasser nach Nahrung tasten.
Die zweibeinige Fortbewegungsweise des Menschen ist auch effizienter als die von
Schimpansen. Die Gegenbehauptung von Wissenschaftlern der Harvard Universität, lässt sich
nicht mehr halten, da sie die Energieeffizienz zweibeiniger Menschen mit vierbeinigen
Pferden und Hunden verglichen.
Der aufrechte Gang, könnte letztlich zu einer Steigerung des Fortpflanzungserfolges geführt
haben. Die geringen Geburten der Menschenaffen führen u.a. dazu, dass sie vom Aussterben
bedroht sind. Schimpansen Weibchen zum Beispiel bekommen ein einziges Kind alle 3-5
Jahre, welches sie alleine aufziehen, wobei sie den Nachwuchs jahrelang mit sich
herumtragen. Für die ersten Hominiden könnte die Zweibeinigkeit und ein verändertes
Sozialverhalten die Fortpflanzung gesteigert haben.
Abschließend bleibt zu erwähnen, dass die Bipedie ziemlich rasch entstanden sein muss,
ansonsten wären unsere Vorfahren vielleicht in der Übergangszeit ausgestorben, da sie eine
leichte Beute darstellten.
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2. Welche Veränderungen des Körpers fanden mit der Entwicklung des aufrechten
Ganges im Laufe der Evolution des Menschen statt?
Die Zweifüßigkeit (Bipedie) bezeichnet die ständig aufrechte Haltung, welche die Hominiden
charakterisiert. Fossile Fußabdrücke in Tansania weisen darauf hin, dass der aufrechte Gang
bereits vor etwa 3,5 Millionen Jahren bei Australopithecus ramidus (=Wurzel) die Regel war.
Die Entwicklung der Bipedie war begleitet von einigen anatomischen Veränderungen. So
wanderte z.B. das Hinterhauptloch, die Ansatzstelle der Wirbelsäule am Schädel, von der
Schädelbasis nach vorn und sorgte für ein Ausbalancieren des Kopfes. Das Becken ist breit
und nach oben erweitert, damit sich die kräftigen Gesäßmuskeln darin einfügen können. Die
heutige Form vor allem des weiblichen Beckens stellt einen Kompromiss zwischen der
Gebärfähigkeit und dem aufrechten Gehen dar. So war das Becken von „Lucy“ (1974, das
erste zu 40 % vollständig gefundene Skelett eines vor 3,18 Millionen Jahren lebenden
Australopithecus afarensis – ein echter Hominide) breiter und besser geeignet zum Gehen,
jedoch war die Beckenöffnung recht klein. Das Becken des heutigen Menschen ist verbreitert
und leicht nach vorn gedreht. Es dient als tragende Schüssel für die Eingeweide. Der
Geburtskanal ist außerdem stark vergrößert, eine Veränderung die aufgrund des größeren
Schädels des Neugeborenen nötig ist. Eine weitere evolutive Veränderung war die
Verkürzung der oberen Gliedmaßen. Die unteren dagegen sind länger und muskulöser. Der
Fuß besitzt bei Homo sapiens sapiens kurze, nicht abspreizbare Zehen, so dass er nicht mehr
zum Klettern geeignet ist. Der Fuß wird damit zum ausschließlichen Gehwerkzeug.
Ein Vergleich des Oberschenkelhalses eines Schimpansen mit dem des Menschen zeigt einen
bedeutsamen Unterschied. Im Querschnitt zeigt der Oberschenkelhals des Schimpansen (Bild
8, Abb. links) eine robuste Knochenmasse mit einer Verstärkungsleiste oben (dort ist ein
Vorsprung zu erkennen). Diese Merkmale ermöglichen es dem Oberschenkelhals des
Schimpansen beim Klettern und Springen den hohen Biegebelastungen standzuhalten. Da der
Mensch (Bild 8, Abb. Mitte) diese Merkmale zum Überleben nicht braucht, besitzt der
Oberschenkelhals nur eine dünne Knochenrinde. Damit eignet er sich nur für
Beanspruchungen beim aufrechten Gang und Laufen, solange die Abduktoren dem Zug im
oberen Bereich des Halses entgegenwirken. Der fossile Oberschenkelhals von Lucy (Bild 8,
Abb. rechts) weist dasselbe Gefüge wie der des heutigen Menschen auf. Offenbar war er auch
ausschließlich für das Gehen auf zwei Beinen ausgelegt.
Bevor der Mensch jedoch aufrecht auf zwei Beinen zu gehen begann, waren seine
Bewegungsmöglichkeiten noch eingeschränkt. Sein Bewegungsapparat konnte sich nur nach
rechts und links, vorwärts und rückwärts entfalten. Mit dem aufrechten Gang kam eine neue
Dimension dazu, denn Bewegungen konnten nun zusätzlich nach oben und unten gerichtet
werden. Das machte einen äußerst präzisen Gleichgewichtssinn notwendig.
Funktion des Gluteus medius:
Theorie der Funktion:
Der Gluteus medius erleichtert uns das Laufen. An unserem Modell werden wir euch nun
vorstellen, wie er funktioniert und welche Rolle er beim Laufen übernimmt.
Der Gluteus medius stellt eine Verbindung zwischen dem Darmbein und dem
Oberschenkelknochen her. Dabei greift er an der äußeren Seite des Knochens an. Durch eine
Kontraktion des Muskels verkürzt sich der Abstand zwischen dem Darmbein und dem
Oberschenkelknochen. Da sich aber der Knochen in einem Kugelgelenk befindet, das seitlich
vom Knochen wegsteht, kommt es bei dieser Kontraktion zu einer Bewegung des Beckens auf
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den Knochen zu. Der Beckenknochen senkt sich auf der Seite, wo sich der Muskel
kontrahiert.
Durch diese Bewegung kommt es auf der anderen Seite zu einer Aufwärtsbewegung des
Darmbeins. Dadurch wird der Oberschenkel entlastet und hebt sich vom Boden. Zum Gehen
müssen wir nun nur noch das entlastete Bein nach vorne setzen.
Bauanleitung des Models:
Man benötigt:
1 Holzkleiderbügel,
2 Rund- oder eckige Hölzer,
Gummiband,
Nägel, Ringschrauben, Krampen
Zuerst entfernt man von dem Kleiderbügel den Metallaufhänger. Anschießend verschraubt
man die Hölzer mit dem Bügel so, dass sie noch beweglich sind. Dann verbindet man die
Hölzer mit dem Gummiband seitlich mit dem Bügel.
Funktion des Models:
Man verkürze den Muskel auf der einen Seite, wodurch sich der Oberschenkel auf der
anderen Seite vom Boden abhebt.
4. Kritik
Nachdem der Versuch vorgestellt und vorgeführt wurde, kam es zu einer Diskussion über den
Inhalt des Vortrages und über das Modell. So fragte ein Student nach dem evolutiven Vorteil
der Bipedie für den Menschen, da die Vorfahren auf Bäume klettern konnten um so
Fressfeinden zu entkommen. Generell spielt hier der Sozialaspekt eine vorrangige Rolle, denn
die Menschen bildeten verstärkt Gemeinschaften und gingen gemeinsam auf die Jagd. Im
Gegensatz zu ihren Vorfahren nutzten die „moderneren“ Menschen mehr als eine Fressquelle
und hatten durch den aufrechten Gang die Arme frei um Beute zu erlegen und die Kinder
festzuhalten, wogegen die Mütter der Vorfahren ihre Jungen über einen längeren Zeitraum
hinweg am Körper tragen mussten und so bei der Nahrungssuche erheblich eingeschränkt
waren. Bezüglich der Anatomie kam die Frage, ob denn alle evolutiven Veränderungen
vorteilhaft waren. Dieser Einwand muss verneint werden, denn bei Lucy war das Becken
bezüglich des aufrechten Ganges besser entwickelt, denn der Hebel konnte besser genutzt
werden. Da Kinder heutzutage einen größeren Kopf haben, musste der Hebel als Kompromiss
zur besseren Gebärfähigkeit wieder verkleinert werden.
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Im Allgemeinen wurde das Modell gut angenommen, da es die Kernaussage wiedergibt und
den Muskel gut nachahmt. Außerdem zeige das Modell kurz und schnell das Wichtigste und
hat einen hohen Wiedererkennungswert für die Schüler, da es gebräuchliche Gegenstände
verwendet und somit für die Schüler leicht nachzubauen ist. Als Nachteile des Modells
wurden genannt, dass die Kontraktion des Muskels nicht gut nachzuahmen war und man dies
vielleicht besser durch das Drehen eines Stiftes darstellen sollte. Diese Methode hatten wir
zuvor jedoch schon ausprobiert und als weniger sinnvoll empfunden. Ein weiterer Vorschlag,
über den wir zuvor auch schon nachgedacht hatten, war, das Theraband durch eine Spirale zu
ersetzen um so die Kontraktion, d.h. das Zusammenziehen des Muskels, besser darstellen zu
können. Eine Studentin äußerte die Kritik, dass das Verstehen von Kontraktion für eine
jüngere Jahrgangsstufe zu schwer sei. Dies wurde jedoch von mehreren widerlegt, da man
Kontraktion mit der Verkürzung des Muskels anhand des Bizepses erklären könnte.
Hebelwirkung des Kiefergelenks
Brandt, Sabrina; Wallenstein, Kathrin; Schmitz, Jessica
Theoretische Einleitung:
Definition Hebel:
Ein Hebel ist ein starrer Körper, der relativ frei beweglich um eine Achse ist. Die Achse
befindet sich an einem definierten Platz.
Der klassische Fall ist der zweiarmige Hebel:
l1
F1
l2
Es gilt:
F2
W= F1 · l1= F2 · l2
W= Arbeit
F= Kraft
L= Länge
Die Arbeit W bleibt immer konstant.
Im Kiefergelenk liegt ein einarmiger Hebel vor, für den gelten die Hebelgesetze in der oben
genannten Form ebenfalls. Im Körper sind die Zusammenhänge aber viel komplizierter, als in
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dieser vereinfachten Darstellung, da die Muskeln nicht nur senkrecht Kraft ausüben, sondern
auch in andere Richtungen.
einarmiger Hebel:
F1
F2
l2
l1
Im Falle des Kiefergelenks bleibt die Muskelarbeit konstant, damit man die resultierenden
Kräfte vergleichen kann.
Schulbezug
Als Einführung in das Thema kann man gemeinsam mit den Schülern überlegen, warum der
Mensch z.B. Möhren oder Fleisch mit den hinteren Zähnen zerkaut. Das Prinzip der
Hebelwirkung im gelenknahen und gelenkfernen Bereich kann auch durch einen Nussknacker
verdeutlicht werden. Befindet sich die Nuss in der Nähe des Gelenks, lässt sie sich leichter
knacken.
Die Hebelgesetzte sind für das Verständnis der Hebelwirkung des Kiefers sehr wichtig. Im
Physikunterricht werden die Hebelgesetze in der 8. Klasse behandelt. Man könnte sich z.B.
mit dem Physiklehrer der Klasse absprechen und das Thema im Anschluss behandeln.
Ansonsten müsste man mit den Schülern die Hebelgesetzte besprechen. Vielleicht können die
Schüler ja sogar den spannungsgesteuerten Oszillator im Physikunterricht selber bauen.
Im Allgemeinen kann man sagen, dass das Modell für Schüler ab der 8. Klasse geeignet ist.
Man sollte die Schüler darauf aufmerksam machen, dass es sich nur um ein Modell handelt.
Unser Modell ist nur zweidimensional, hat keine Backenzähne bzw. Schneidezähne, es gibt
keine Muskeln und der Kiefer kann nur auf und zu klappen.
Man könnte statt des spannungsgesteuerten Oszillators Mäusespeck oder auch Knete
benutzen.
Herstellung des Kiefergelenk-Modells:
Eine Skizze der Bestandteile des Kiefergelenkes befindet sich im Anhang. Zunächst wurden
die Kieferknochen (1 und 2) aus Sperrholz ausgesägt. An den Stellen 3 und 4 wurden sie
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durch einen Nagel verbunden, dessen Spitze mit einer Reißzwecke abgesichert wurde. Hinter
die unteren Zähnen wurden zwei ebenso große Holzstücke geschraubt, die dann die Bissfläche
für die oberen Zähne darstellten. Um einen konstanten Druck beim Zusammenbeißen
herzustellen, wurde zwischen die Stellen 5 und 6 ein Terraband (Gymnastikband) mit
Reißzwecken gespannt. Da der verwendete voltabhängige Drucksensor nur eine kleine
Druckmessfläche hatte, mussten auf die Kauflächen kleine Gummistücke aufgeklebt werden.
Dabei war darauf zu achten, dass die Bisshöhe und Fläche an beiden Zähnen gleich hoch war.
Vorführung:
Zunächst wurden anhand eines Modells eines menschlichen Schädels die Knochen des
Kiefergelenkes zugeordnet. Um zu zeigen, dass bei konstanter Kraft beim Zusammenbeißen
(eine Spannung des Terrabandes) von dem hinteren Zahn mit dem kürzeren Hebelarm mehr
Kraft ausgeübt wird, wurde der Drucksensor erst zwischen die hinteren, dann zwischen die
vorderen Zähne gespannt. Dies kann bei dieser Modellgröße gut auf dem Overheadprojektor
vorgeführt werden. Statt des Drucksensors wäre auch der Einsatz von weichen Lebensmitteln
wie etwa Schaummäusen, Knetgummi usw. denkbar.
Beobachtung:
Der von dem Oszillator des voltabhängigen Druckmessgerätes erzeugte Ton hatte beim
hinteren Zahn eine höhere Frequenz als beim vorderen.
Kritik und Anregung:
Unser Modell ist nur zweidimensional. Es hat keine Backenzähne bzw. Schneidezähne. Es
gibt keine Muskeln, und der Kiefer kann nur auf und zu klappen und keine
Seitwärtsbewegungen machen. Dieser Unterschied sollte mit den Schülern besprochen
werden.
Der Befestigungspunkt zwischen 3 und 4 gab seitlich nicht genügend Stabilität. Dort könnte
mit einer größeren Durchbohrung und einem größeren Bolzen, der nach außen mit Muttern
gesichert wird, mehr Stabilität erreicht werden. Bei einem größeren Modell wäre auch am
Ende des Gelenkes ein Scharnier denkbar.
Statt der aufgeklebten Gummistücke könnten auch kleine Nägel vorsichtig in die Kauflächen
eingeschlagen werden. Damit würde man eine ausreichend kleine Druckfläche für den
Drucksensor erreichen, und das Problem, dass die Gummistücke nicht so gut halten, wäre
gelöst.
17
Anhang:
Sinnesorgan-Modelle
**Modell: Mittelohr / Gehörknöchelchen:
S. Mahlmann, Tanja; Sturmfels, Antje; Rechenberg, Leif-Erich
Modelle zum Thema Ohr für die Klasse 7 + 8
18
C:
Fimomodell
A:
Springform
B:
Pappmodell
A: Bewegung des Trommelfells und der Gehörknöchelchen
Ziel: Die Schüler sehen, dass Schall in der Lage ist das Trommelfell und die
Gehörknöchelchen zu bewegen
Material :Springform, Klarsichtfolie, Fotokarton, Spiegelfolie, Tesafilm, Verstärker, Lautsprecher, Laserpointer
Durchführung: Eine Springform wird mit Klarsichtfolie bespannt, die
Gehörknöchelchen werden aus Fotokarton nachgebaut und auf der Folie befestigt
(der Hammer wird an der Oberseite mit einem kleinen Streifen Tesafilm fixiert). Durch
ein Stück Spiegelfolie auf der Klarsichtfolie und durch einen darauf gerichteten
Laserpointer kann die Bewegung der Membran beim Beschallen mit Musik
verdeutlicht werden.
Kritik:
-
die Bewegung der Knöchelchen ist nicht so gut zu erkennen → durch den Overheadprojektor kann die
Bewegung als Schattenspiel an der Wand dargestellt werden
die Folie schwingt bei einer bestimmten Resonanzfrequenz (tiefen Tönen) am besten → es ist nicht sinnvoll
dieses Problem in den Klassenstufen 7 + 8 anzusprechen
die Größenverhältnisse von Trommelfell und Gehörknöchelchen stimmen in diesem Modell nicht → damit
überhaupt eine Bewegung der Knöchelchen zu erkennen ist, müssen die Größenverhältnisse im Modell
abgewandelt werden, anhand eines zweidimensionalen Pappmodells können die richtigen
Größenverhältnisse gezeigt werden
19
B: Pappmodell der Gehörknöchelchen
Ziel: Die Schüler sollen verstehen, dass zur Vermeidung von Reflexionsverlusten im
Mittelohr eine Impedanzanpassung vorgenommen werden muss. Am Modell können sie sehen
wie diese zustande kommt. Außerdem ist anhand des Modells zu erkennen, dass das Gelenk
zwischen Hammer und Amboss in sich nicht beweglich ist und dass der Drehpunkt der
Knöchelchen in diesem Gelenk liegt – eine Musterbeutelklammer (Klammer zum
Verschließen von Briefen) unter dem Gelenk ermöglicht die Bewegung.
Theorie: Außenohr und Paukenhöhle sind mit Luft, das Innenohr mit den darin
befindlichen Sinneszellen mit Lymphflüssigkeit gefüllt. Bei der Übertragung der
Schwingungen vom Außenohr zum Innenohr findet ein Wechsel des schalleitenden
Mediums satt. Theoretisch würden, aufgrund der unterschiedlichen Schallwiderstände
(Impedanzen) der beiden Medien an der Grenzfläche zwischen Luft und Flüssigkeit
etwa 98 % der auftreffenden Schallwellen reflektiert und somit für den Hörvorgang
verloren gehen. Dieser Reflexionsverlust wird durch zwei Mechanismen verhindert:
die Trommelfellfläche ist 17 Mal größer als die Fläche des ovalen Fensters → der
durch die Steigbügelplatte auf das ovale Fenster ausgeübte Druck ist
dementsprechend größer
durch das Hebelsystem der Gehörknöchelchen wird die Kraft der
Steigbügelfußplatte zusätzlich um den Faktor 1,3 verstärkt
Kritik: Unser Pappmodell ist nicht maßstabsgerecht gebaut → wenn die Schüler selbst
die Größenverhältnisse ausmessen sollen, muss das Modell maßstabsgerecht sein
C: Dreidimensionales Modell der Gehörknöchelchen
Ziel: Die dreidimensionale Form der Gehörknöchelchen soll verdeutlicht werden - Modell
besteht aus Fimo soft (Bastelladen) und wurde im Backofen gebrannt.
20
Literatur:
1.
2.
3.
4.
Biologische Grundversuche S I , Band 2, Zoologie, Humanbiologie, Christian Wendel, Aulis Verlag
Deubner
Biologie Heute G, Lehrerhandbuch für den Sekundarbereich I, Band 1, Schroedel Verlag
Unterricht Biologie, Gehör und Gleichgewicht, Heft 157, Sept. 1990
Unterricht Biologie, Lärm, Heft 70, Juni 1982
Die Bücher und Zeitschriften gibt es alle in der Fachdidaktik Bibliothek im Waldweg.
D: Druckausgleich im Innenohr
Ziel: Der Druckausgleich durch die Eustachische Röhre soll verdeutlicht
werden.
Material: ein durchsichtiger Plastikbecher, ein Luftballon, ein kurzer Schlauch und eine Luftpumpe
Durch Hineinpumpen von Luft durch die Luftpumpe (Trommelfell) erhöht sich der Innendruck im Becher
(Paukenhöhle). Der Druck kann bei geöffnetem Schlauch (Eustachische Röhre) entweichen. Bei geschlossenem
Schlauch führt die Druckerhöhung dazu, dass sich die Luftballonhaut (ovales Fenster) nach außen wölbt. Wird
der Schlauch dann geöffnet, führt dies zu einem Druckausgleich, so dass sich die Luftballonhaut wieder
entspannt. Wird Luft aus dem Becher hinaus gepumpt, wird ein Unterdruck erzeugt. Bei geschlossenem
Schlauch wölbt sich die Luftballonhaut nach innen.
E: Orientierung durch das Labyrinth
Ziel: Die der Wahrnehmung von Beschleunigungs- und Drehreizen zugrunde
liegenden Prinzipien (Lageverschiebung von Sinneszellen sowie
Trägheitsverhalten von Flüssigkeiten) werden in diesem Versuch
veranschaulicht – siehe auch Protokoll zum Gleichgewichtssinn
Material: ein Drehteller, eine große, runde flache Form, ein langer Plastikstreifen,
Gewebeklebeband
Durchführung: Der Plastikstreifen wird mit dem Klebeband so am Rand der Form
befestigt, dass er nicht den Boden berührt, die Form wird dann mit Wasser gefüllt.
Der Plastikstreifen sollte bedeckt sein. Anschließend wird die Form auf den
Drehteller gestellt (feuchtes Tuch unterlegen) und der Teller gedreht.
Theorie: Die drei Bogengänge sind in die drei Ebenen des Raumes ausgerichtet und
haben an ihrer Basis jeweils eine Verdickung, die als Ampulle bezeichnet wird. In
jeder Bogengangsampulle steht eine Gruppe Haarzellen, deren Sinneshaare in eine
gallertartige Masse ragen, die Cupula.
21
Bei einer Linksdrehung der Schale wird das Plastikstück (Cupula) nach rechts
abgelenkt. Da das Wasser (Endolymphe) der schnellen Drehung der Schale (Körper/
Kopf) nicht so schnell folgen kann, drückt es gegen das festsitzende Plastikstück. Bei
gleichmäßiger Drehung richtet sich das Plastikstück allmählich in „Normallage“ aus.
Bei Richtungsänderung erfolgt eine Ablenkung in Gegenrichtung, allerdings mit
zeitlicher Verzögerung.
F: Richtungshören
Ziel: Das Richtungshören soll untersucht werden, Material: ein ca. 2 m langer Gartenschlauch – siehe
Biologische Grundversuche S I, Band 2, Versuch S 118
Internetseiten:
-
http://www.dasp.uni-wuppertal.de/ars_auditus/physiologie/inhaltphysio.htm (schöne Seite zur Physiologie
des Ohrs)
-
http://www.mechb.unistuttgart.de/research/biomechanics/middle_ear/middle_ear_de.php (Simulation
der Gehörknöchelchenbewegung)
Modell eines Ciliarmuskels
Von Alexandra Frey, Sibylle Krause, Nadine Kohlmorgen
A Einleitung:
Der Ciliarmuskel ist ein Ringmuskel um die Linse im Auge, der die Akkomodation bewirkt.
Die Linse ist an den Zonulafasern aufgehängt. Bei Nahakkomodation kontrahiert der Ciliarmuskel und
zieht den Rand der Chorioidea in Richtung Linse, wodurch die Zonulafasern entlastet werden und die
elastische Linse rund wird. Die dickere, runde Linse besitzt eine größere Brechkraft als eine
abgeflachte Linse und kann somit nahe Objekte scharf stellen. Bei Fernakkomodation wird die Linse
abgeflacht, indem der Ciliarmuskel erschlafft und die Chorioidea und Sklera zurückgezogen werden
und so die Zonulafasern und damit auch die Linse spannen.
B Versuchsbeschreibung:
Materialien:
ca. 0,5 cm dicker, ummantelter Draht (Gartenzubehör)
2 Drahtseilklemmen (Baumarkt)
Watte
elastischer Stoff (z.B. Badeanzug)
Nähgarn
breites Gummiband
„Augen“/Ösen (Nähbedarf, dazu gehören Haken)
festes Band
Geräte:
Nadel, Schere, Heißklebepistole
Aufbau:
Zunächst werden aus dem elastischen Stoff zwei Kreise von ca. 20 cm Durchmesser ausgeschnitten.
Die zwei Kreise werden am Rand zusammengenäht bis nur noch eine kleine (ca.5 cm) Öffnung bleibt.
22
Das Ganze wird umgestülpt und prall mit lockerer Watte gefüllt, damit keine Knoten entstehen.
Anschließend wird der entstandene Ball zugenäht.
Um die Naht wird das breite Gummiband genäht und an diesem werden in regelmäßigen Abständen
die „Augen“ genäht.
Der Draht wird in Kreisform gebogen und mit zwei Drahtseilklemmen fixiert, so dass er ineinander
verschoben werden kann.
An den „Augen“ werden Bänder befestigt, die stramm an den Draht gebunden werden, wenn dieser
seinen größten Umfang besitzt.
Die Bänder werden am Draht mit der Heißklebepistole fixiert.
Ist der Draht auseinandergezogen sind die Bänder gespannt und der Ball in der Mitte (die Linse) wird
auseinandergezogen. Wird der Draht ineinandergeschoben, erschlaffen die Bänder und der Ball sollte
sich wieder zusammenziehen.
C Fragen zum Modell
a.) Eignung des Modells als Erklärung für ein biologisches Prinzip?
Das von uns hergestellte Modell zum Ciliarmuskel zeigt das mechanische Prinzip des Auges,
spezieller der Linse, für die Fern-und Nahakkommodation.
b.) Welche sachlichen Schlussfolgerungen aufgrund des Modells sind möglich?
Bei der Fernakkommodation wird der Ciliarmuskel völlig entspannt. Die Zonulafasern werden
gespannt und somit wird die Linse flacher.
Bei der Nahakkommodation kontrahiert sich der Ciliarmuskel und der Zug am Linsenrand wird
vermindert, die Linse geht in eine kugelige Form über.
c.) Welche Überleitung zur folgenden Thematik/ Unterrichtseinheit wäre möglich?
Bei der Behandlung der Thematik der Sinnesorgane sollte das von uns hergestellte Modell nicht
fehlen.
d.) Welche Voraussetzungen im fachlichen Wissen sind erforderlich?
Bevor dieses Modell zum Einsatz kommt, sollte das Auge bereits besprochen worden sein. Das Modell
sollte also eher für die Vertiefung des Gelernten, über das Auge, dienen und gleichzeitig für ein
besseres Verständnis durch Anschaulichkeit sorgen.
e.) Eignung des Modells für welche Altersstufe/n?
Das Auge wird in der 8. Klasse besprochen. Das von uns gebaute Modell kann in dieser Altersstufe
verwendet werden.
f.) Kritik am Modell (z.B. Realitätsnähe?)
Unser Modell stellt nur die mechanischen Aspekte der Linse dar, nicht aber die optischen Prinzipien,
wie z. B. die Veränderung der Brechkraft der Linse.
Von einer großen Realitätsnähe kann nicht gesprochen werden, da unsere Linse aus Badeanzugstoff
und Watte hergestellt wurde. Unser Modell erfordert also ein gewisses Abstraktionsvermögen der
Schüler.
D Dokumentation der Verbesserungsvorschläge aus der Diskussion und als Konsequenz: eigene
Verbesserungsvorschläge
Anstelle von Watte könnte man auch einen Luftballon in den vernähten Badeanzugstoff überführen.
23
Es besteht die Möglichkeit, dass die Abflachung der Linse mit Hilfe des Luftballons noch stärker
sichtbar wird. Vor jeder Stunde müsste jedoch der Luftballon neu aufgepustet werden bzw. der alte
Luftballon durch einen Neuen ersetzt werden.
Auf den Luftballon kann auch punktuell Kreppband geklebt werden und das Kreppband kann mit den
Fäden zu dem Ciliarmuskel (zu dem Draht) verbunden werden. Diese Technik hat bei uns nicht
funktioniert, wurde jedoch von einer anderen Gruppe bereits ausprobiert und als umsetzbar
beschrieben. Unsere Kritik ist jedoch, dass ein Luftballon sehr leicht kaputt geht und das Modell nicht
lange haltbar ist.
Der Luftballon könnte außerdem in eine Plastiktüte überführt werden, so dass die Fäden, welche die
Zonulafasern darstellen an der Tüte ansetzen und den Luftballon (also die Linse) in seiner Form
verändern. Diese Idee wurde von uns nicht umgesetzt, da die Tüte uns zu realitätsfern erschien.
Das Modell geht nicht auf die Brechkraft der Linse ein. Es bestanden Ideen, die Brechkraft mit Hilfe
des Overheadprojektors zu zeigen. Dazu könnte man einen mit Wasser gefüllten Luftballon verwenden
oder eine Tüte mit Gelatine füllen, um zwei Medien mit unterschiedlicher Brechkraft zu erhalten (z.B.
Luft und Wasser). Diese Ideen wurden von uns aber ebenfalls nicht weiter verfolgt.
Auswahl des „geeigneten“ elastischen Materials zur
kreisförmiger Stücke mittels einer Schablone
Herstellung der Linse
Zuschneiden
24
Zusammennähen der beiden runden Stoffstücke wobei eine Öffnung zur späteren Befüllung
ausgespart wird.
Füllung der Stoffkugel (Linse) mit Watte
Schließen der Füllöffnung
25
Umnähen der Stoffkugel mit einem elastischen Band, Herstellung des Drahtgestells, das den Muskel darstellt
Annähen von Häkchen zur Aufhängung an den Muskel aus einem starken Draht und Verbindungsschellen
26
Befestigung der Fäden (Zonulafasern) an der Stoffkugel (Linse)
am Drahtgestell mit einer Heißklebepistole
Befestigung der Fäden
Modell: Muskel entspannt, Zonulafsern gespannt, Linse abgeflacht
Modell: Muskel kontrahiert, Zonulafasern entspannt, Linse rund
„Funktionsmodell des Gleichgewichtsorgans mit Sensor“
Tobias Grams, Merle Schlichte, Anja Weinrich
Einleitung
Das Ohr umfasst sowohl das Hör- als auch das Gleichgewichtsorgan. Es gliedert sich (Abb. 1)
in das äußere Ohr (ä.O.), Mittelohr (M.o.) und Innenohr (I.o.). Das ä.O. und das M.o. wird als
schallleitender Apparat bezeichnet, das I.o. ist das Hörorgan im engeren Sinn. Die
Hauptbestandteile des I.o. ist zum ersten der Vorhof, als Gleichgewichtsorgan, und zum
zweiten die Schnecke, die den Teil des Hörorgans darstellt der die Sinneszellen enthält.
27
Beides befindet sich innerhalb des Schädelknochens auf dem Schädelboden (Abb. 2) in der
bindegewebsartigen Hülle des häutigen Labyrinths.
Der Gleichgewichtssinn befähigt die Tiere und Menschen sich im Raum zu bewegen und zu
orientieren. Dafür codiert er die Lage des Körpers im Raum und schickt diese Informationen
ans Zentralnervensystem.
Im Folgenden ist eine theoretische Abhandlung zum Gleichgewichtsorgan beim Menschen
und bei Invertebraten zu finden, sowie Ausführungen zu einem Modell, das die Verhältnisse
beim Menschen widerspiegelt.
Theorie
In unserem Versuchsaufbau beschränken wir uns auf die Maculaorgane (Sacculus und
Utriculus). „Die Maculaorgane liegen im zentralen Raum des Labyrinths. Sie bestehen aus 2
Sinnesfeldern von ca. 1mm Durchmesser. Eines davon befindet sich im [Utriculus] (Macula
utriculus) und eines im Sacculus (Macula sacculi)“ (Quelle (1b))
2.1. Gleichgewichtssinn beim Menschen
Bei den meisten Säugern, so auch bei den Menschen, ist der Gleichgewichtsapparat im
Innenohr lokalisiert. Welches aus einer ektodermalen Einstülpung entstand und mit dem
Seitenlinienorgan der Fische verwandt ist. Der Gleichgewichtssinn befindet sich hinter dem
ovalen Fenster und besteht aus dem Sacculus, dem Utriculus und den drei Bogengängen
(Abb. 3). Dieser Sinn dient dem Gleichgewicht, aber auch der Orientierung im Raum. „Um
dieser Aufgabe zu genügen, werden neuronal mehrere Informationen miteinander verrechnet,
die alle zum Gleichgewicht beitragen.“ (Quelle (1a)) Dies ist der Unterschied zu anderen
Sinnen, so dienen beim Sehsinn allein die Photorezeptoren der Wahrnehmung.
Beim Gleichgewichtssinn bzw. zur Orientierung im Raum spielen vier verschiedene Systeme
eine Rolle:
-
In den Bogengängen des Labyrinths wird die Drehbeschleunigung gemessen.
-
Sacculus und Utriculus im Labyrinth messen die Linearbeschleunigung.
-
Die Gelenke, Sehnen und Muskeln messen die Körperhaltung.
-
Und das Auge nimmt die visuelle Information wahr.
Im Sacculus befinden sich Haarzellen, die auf die Veränderung der Position des Kopfes in
Bezug auf die Richtung der Schwerkraft.
28
Diese Haarzellen sind in Gruppen angeordnet und ihre Cilien ragen in eine gallertartige
Masse, die eine Vielzahl von kleinen Kalkpartikeln enthält, welche als Statoconien bezeichnet
werden.
Die Statoconien sind schwerer als die sie umgebende Endolymphe, wodurch sie stets auf den
Haaren der Rezeptoren zu liegen kommen. Die sensorischen Neuronen senden also
ununterbrochen APs in den Vestibularzweig des Nervus stato-accusticus (Abb. 4).
Bewegt man nun den Kopf, so führen die unterschiedlichen Neigungswinkel des Kopfes zur
Senkrechten zur Reizung unterschiedlicher Haarzellen bzw. sensorischer Neuronen.
Wird die Position des Kopfes also verändert, so verändert sich der Druck auf die Haarzellen
und der Transmitterausstoß wird erhöht oder erniedrigt.
Dadurch verändert sich auch die Impulsfrequenz der sensorischen Neuronen, so kann im
Gehirn die Neigung des Kopfes berechnet werden und mit den Informationen, die die Augen
ans Gehirn senden verrechnet werden.
So kann es z.B. zu Übelkeit kommen, wenn der Körper sich bewegt, die Augen dies aber
nicht ans Gehirn übermitteln können, wie es unter anderem im Rumpf eines Schiffes
passieren kann.
2.2. Gleichgewichtssinn bei Invertebraten (Abb. 5)
Die meisten Invertebraten haben Schwererezeptoren, die man als Statocysten bezeichnet. Die
Statocysten bestehen meist aus einer Schicht Haarzellen, die eine Kammer auskleiden, in der
sich Statolithen befinden, das sind Sandkörner oder andere dichte Partikel, ähnlich den
Statoconien im menschlichen Gleichgewichtsorgan.
Bedingt durch die Schwerkraft setzen sich die Statolithen am niedrigsten Punkt der Kammer
ab und reizen hier die Haarzellen.
Die Statocysten können sich an ganz verschiedenen Stellen des Körpers befinden. So sind sie
z.B. bei Quallen an ihrem Schirmrand zu finden, bei Hummern hingegen an der Basis der
ersten Antenne.
1. Bau und Funktion des Modells:
3.1. Das Modell
3.1.1 benötigte Materialien
- 2 Holzbretter (ca. 15 x 10 cm)
- Holzstück (ca. 10 x 3 cm)
- elastische PVC- Streifen
- kleines Plastikstück (z.B. die Spitze
29
- Gewichte (z.B. Steine)
eines Kugelschreibers)
- Farbe
- Voltage controlled Oszillator (VCO)
- Pinsel
- Drucksensor
- Zeitungsreste
- Kabel
- Batterie (9 V)
- Tapetenkleister
- Kleber (Sekunden- oder 2- Komponenten- Kleber)
- Lautsprecher
Werkzeuge:
- Säge
- Bohrer
- Schraubstock
- evtl. Feile
- Schrauben
- Akku- Schrauber
3.1.2 Herstellung des Modells
Die beiden Holzbretter stellen die Grundelemente des Modells dar und dienen der
Verankerung
der
PVC-
Streifen.
Hierzu sollten die Bretter, sofern dies
nicht bereits der Fall ist, auf eine
angemessen handliche Größe gesägt
werden (ungefähr 15 x 10 cm). Ist dies
geschehen, kann man damit beginnen,
Aussparungen
in
die
Bretter
einzuarbeiten, in die später die PVCStreifen eingesetzt werden. Hierbei
empfiehlt sich die Säge, mit der
parallele Kerben in das Holz gesägt werden können. Es ist unbedingt erforderlich, dass die
Kerben beider Bretter deckungsgleich übereinander liegen, damit das Modell später eine
waagerechte Haltung annimmt.
Im nächsten Schritt sollen nun die PVC- Streifen in den Kerben der Holzbretter fixiert
werden. Auch hier ist eine möglichst parallele Ausrichtung der Streifen zueinander sinnvoll.
Die Befestigung kann mittels des Klebers erfolgen. Bei diesem Schritt ist es wichtig, dass
darauf geachtet wird, dass man die Streifen zunächst auf nur einem Brett befestigt und
abwartet, bis der Kleber getrocknet ist. Erst dann sollte man dazu übergehen, auch das zweite
Brett fest mit dem Modell zu verbinden.
30
Wenn der Kleber trocken geworden ist
und die PVC- Streifen fest mit beiden
Holzbrettern verbunden sind, kommt
der Moment, an dem man sich
entscheiden muss, welche Seite des
Modells man als Oberseite benutzen
möchte.
Folgenden
Auf
die
diese
müssen
Gewichte
im
geklebt
werden. Nicht zuletzt wegen ihrer
natürlichen Verfügbarkeit eignen sich
Steine hierfür besonders gut. Sie erfüllen im Modell zweierlei Funktionen: auf der einen Seite
erhöhen sie die Praktikabilität des Modells, da durch das zusätzliche Gewicht an der Oberseite
die Scherbewegung der PVC- Streifen beim Kippen deutlicher wird. Auf der anderen Seite
dienen sie der Anschaulichkeit, stellen sie doch die Statoconien, wie sie in den
Macularorganen vorliegen, dar.
Der nächste Schritt ist im Grunde optional und dient ausschließlich der weiteren
Veranschaulichung. Es soll nun mit
Pappmaché die Gallerte nachgebildet
werden,
die
Sinneshaarpolster
in
natura
auflagert.
dem
Hierzu
benötigt man die Zeitungsreste und
den Tapetenkleister, der entsprechend
der
Verpackungsbeschreibung
angerührt wird. Aufgrund einfacherer
Modellierbarkeit macht es Sinn, die
Zeitungsreste in handliche Stücke zu
zerreißen. Ist der Kleister fertig, kann man beginnen, die Papierstücke auf die Steine u kleben,
sodass eine mehr oder weniger kuppelartige Form entsteht. Ist dies geschafft, sollte man
warten, bis die Masse getrocknet ist. Im Anschluss daran kann man das Modell auch bemalen,
wobei dieser Schritt weniger der Anschaulichkeit als vielmehr der Ästhetik dient.
Das eigentliche Modell ist nun fertig. Sowohl die Wahrnehmung der relativen Lage im Raum
als auch der Bewegungskomponente im Raum lassen sich mit ihm durch Kipp- und
Schubbewegung simulieren. Die folgenden Schritte dienen nun dem Zweck, diese
Sinneseindrücke auch durch das Modell wahrnehmbar (in unserem Fall hörbar) zu machen.
31
Die
entscheidende
spannungsgesteuerte
Komponente
Oszillator
bei
der
(VCO).
Umsetzung
Ein
dieses
Oszillator
ist
Vorhabens
ein
ist
der
selbsttätiger
Schwingungserzeuger und damit das wichtigste Element der Klangerzeugung. Sein Name
leitet sich aus dem Lateinischen ab (oscillatio = Schaukeln, Schwingen). Im Oszillator
entsteht die Schwingungsform, also das Ausgangsmaterial des Klanges. Wie der Name schon
vermuten lässt, wird beim spannungsgesteuerten Oszillator die Tonhöhe durch eine
Steuerspannung kontrolliert. Da die Spannung unserer Energiequelle (9V- Block) jedoch
stets gleich bleibend ist, erreichen wir eine Spannungsänderung über einen veränderbaren
Widerstand. In unserem Modell verwenden wir hierfür den Drucksensor. Dieser verändert
seinen Widerstand je nachdem, wie stark der Druck ist, der auf ihn ausgeübt wird: je größer
der Druck, desto geringer der Widerstand.
Der vom Modell auf den Sensor ausgeübte Druck rührt von der Scherbewegung der PVCStreifen. Damit der Sensor überhaupt eine Druckveränderung registriert, sollte er am Modell
fest verankert und nicht frei beweglich
sein. Hierzu fixiert man den Sensor an
einem zusätzlichen Holzstück (ca. 10 x
3 cm), welches später am Fuß der
PVC- Streifen auf das Holzbrett
geschraubt wird. Den Punkt für die
Druckübertragung möglichst tief zu
legen ist insofern sinnvoll, da hier die
Krafteinwirkung zum Einen recht hoch
und das Ausscheren der Streifen zum
Anderen nicht so extrem ist, sodass die Kraft relativ genau auf den Sensor übertragen werden
kann. Als Drucküberträger eignet sich z. B. die abschraubbare Spitze eines Kugelschreibers.
Diese wird an einen der PVC- Streifen geklebt, bevor das Holzstück mit dem Sensor auf das
Brett geschraubt wird.
32
Mit Hilfe der Kabel können schließlich
der Sensor, die Energiequelle und der
Lautsprecher
mit
spannungsgesteuerten
dem
Oszillator
verbunden werden. Es empfiehlt sich
im Übrigen, darauf zu achten, dass
beim
Anbringen
Holzstücks
des
eine
eingenommen
wird,
Drucküberträger
SensorStellung
in
bereits
der
der
einen
„Grunddruck“ auf den Sensor ausübt, ohne dass dabei die PVC- Streifen bewegt werden
müssen. Der Vorteil in diesem Vorgehen liegt darin, dass eine Änderung der Tonhöhe auch
dann hörbar ist, wenn die Streifen aus der Ruhelage heraus zu der dem Sensor abgewandten
Seite ausscheren. Der Widerstand wird größer, der Ton tiefer.
Diskussion:
Thematisch behandelt das Modell die Funktion des Schweresinnes des Menschen. Es stellt ein
Macularorgan dar, wie es in Sacculus und Utriculus vorkommt. Mit ihm lässt sich gut
simulieren wie die Sinneshärchen sowohl bei einer Schräglage des Kopfes als auch bei
Linearbeschleunigungen im Raum ausscheren. Diese Scherbewegung stellt in natura den
adäquaten Reiz für die Sinneszellen dar, mit Nervenimpulsen zu antworten. Daher erfüllt das
Modell den Anspruch, die neurophysiologischen Gegebenheiten zwar vereinfacht, jedoch
relativ genau wiederzuspiegeln, da mittels des elektronischen Zubehörs eine Lageveränderung
der PVC- Streifen hörbar gemacht werden kann. Jedoch erstreckt sich die Anschaulichkeit des
Modells nicht nur auf die neurophysiologischen Prozesse, sondern auch auf die Anatomie. In
natura lagert dem Sinneshaarpolster eine gallertartige Masse auf, in die die Statoconien
eingebettet sind. Diesen Umstand gibt das Modell wiederum zwar vereinfacht, jedoch deutlich
zu erkennen.
Was die elektronische Registrierung der Scherbewegung der PVC- Streifen betrifft, lohnt es
sich hingegen durchaus, sich nach Alternativen umzusehen. Dass die Variante mit dem
Drucksensor nicht unbedingt die Beste ist, zeigte sich bereits bei der Präsentation des
Modells, wo es teilweise versagte. Da beim Abbiegen der PVC- Streifen der Drucküberträger
sich leicht dem Boden entgegenneigt, lässt sich die Kraft nicht genau auf den Sensor
übertragen.
Eine
elegante
Lösung
hätte
darin
bestanden,
einen
so
genannten
33
Dehnungsmessstreifen längs an einem der PVC- Streifen zu befestigen. Dieser
Dehnungsmessstreifen funktioniert seinerseits als veränderbarer Widerstand, welcher je nach
Dehnungsgrad größer oder kleiner wird. Es zeigte sich jedoch, dass die Widerstandsänderung
zu gering war, sodass sich auch bei maximaler Dehnung kaum Unterschiede in der Tonhöhe
ergaben.
Da das Modell an sich recht simpel ist, kann es in der Schule unterschiedlich eingesetzt
werden, je nachdem, worauf man besonderes Augenmerk richten möchte. Es eignet sich für
die Sekundarstufe I als Anschauungsmodell, wenn „Bau und Funktion von Sinnesorganen“
behandelt werden. Für den Fall, dass man das Modell mit der Klasse im Rahmen eines
Projektes selbst herstellen möchte, sind gerade im Hinblick auf die elektronischen
Komponenten Kenntnisse vonnöten, wie sie erst im Rahmen des Physikunterrichts der
Klassen 9 und 10 vermittelt werden. Somit bietet der Bau eines solchen Modells auch Raum
für fächerübergreifenden Unterricht.
In der Sekundarstufe II, wo ein besonderes Augenmerk der Nervenphysiologie gilt, bietet es
sich an, den Lautsprecher des Modells gegen ein Oszilloskop einzutauschen. Hierdurch lassen
sich die Schwingungen des Oszillators sichtbar machen, was wiederum Rückschlüsse auf den
Zusammenhang zwischen dem Neigungsgrad der Sinneshärchen und der Frequenz der von
den Sinneszellen erzeugten Aktionspotentiale zulässt.
Literatur:
Internet:
(1a) http://www.sinnesphysiologie.de/proto01/6-anderesinne/1gleichgewicht/gleichgewichtssinn.htm
(1b) http://www.studentenlabor.de/seminar1/Gleichgewichtssinn.htm
(1c) http://www.zi.biologie.uni-muenchen.de/institute/zi/abtlgn/neurobiologie /lehre
/Lutz/Gleichgewichtssinn.pdf
(1d) http://www.bio.unigiessen.de/dl/down/open/tieroekologie/6c50d6b1f2c4232ea09a3fd7eaba0e94e97be
1867869c5189344bfc6893b595712abc7f8aad9d51a1208b234dc72c22e/
H_E-Werding-05-Sinne_I.pdf
Buch:
(2a) Campbell, Neil A., Biologie
Dt. Übers. Hrsg. Von Jürgen Merkl
Heidelberg; Berlin; Oxford; Spektrum Akad. Verlag, 1997
34
Experimente
Farbsehen: LED-Platte mit RGB vor Milchglas
Annika- Christiane Golombek, Philipp Künstler & Britta Schulze
A.)
Versuch 1.): Mit den folgenden zwei Versuchen möchten wir einen Aspekt des Farbsehens
aufgreifen und veranschaulichen, nämlich das additive Farbsehen. Dazu benötigen wir drei
LEDs in den Spektralfarben rot, grün und blau. Diese werden so auf einer
Spanplattenkonstruktion befestigt, dass sie ein Dreieck beschreiben. An den Außenseiten
erhöhen wir die Unterkonstruktion der LEDs ein wenig, damit sie leicht nach innen geneigt
leuchten.
Die Leuchtdioden bestehen aus zwei unterschiedlich langen Drähten und einem LEDKristall, wobei der kürzere Draht den Minusanschluss (Kathode) und der Längere den
Plusanschluss bildet. Sie sollten immer mit jeweils einem Vorwiderstand pro Diode
angeschlossen werden um eine Überlastung zu verhindern und eine gleichbleibende Helligkeit
zu gewährleisten. Betrieben mit einer Batterie werden alle Dioden zum Leuchten gebracht.
Zur Durchführung des Versuches benötigt man zusätzlich noch eine Milchglasscheibe die
anfänglich direkt über die LEDs gehalten wird. Die Dioden zeichnen drei Farbpunkte auf der
Milchglasscheibe ab. Beim weiteren Entfernen der Scheibe von den LEDs wandern die
unterschiedlich farbigen Lichtpunkte aufeinander zu, bis sie sich schließlich, bei noch
weiterer Entfernung, auf eine Punkt der Mattscheibe konzentrieren und zu weiß
verschmelzen. Als Ergebnis wird dann festgehalten, dass weiß keine Farbe ist, sondern durch
die gemeinsame Bestrahlung aller Spektralfarben entsteht.
Versuch 2.): Eben dieses Ergebnis erzielt man auch mit unserem zweiten Versuch. Dazu wird
eine runde Deckenleuchte mit drei beweglichen Fassungen benötigt, in die Glühbirnen der
Farben rot, grün und bau geschraubt werden. Montiert auf einer Holzplatte und an ein Kabel
35
mit Stecker angeschlossen bringt man die Birnen dann mir dem Strom aus der Steckdose zum
Leuchten. Um die Strahlung der einzelnen Birnen besser auf einen Punkt bündeln zu können
und möglichst viel Abstrahlung in alle Richtungen zu vermeiden, stülpt man provisorisch ein
aus Pappkarton gerolltes Rohr über sie (Vorsicht, das die Pappe nicht zu heiß wir). Dadurch
gewährleistet man einen guten parallelen Strahlengang ohne Dunkelzonen. Die
Demonstration des Versuches beginnt mit dem Leuchten der Lampe gegen eine weiße Fläche
(Wand). Zuerst sind die einzelnen Farbkegel deutlich voneinander getrennt zu erkennen.
Richtet man die drei Strahlen aber immer näher aufeinander, so erkennt man im Schnittpunkt
der Spektralfarben weiß.
Alle benötigten Materialien erhält man im Baumarkt (Obi, Bahr) und Elektrogeschäft bzw.
dem Conrad- Katalog. Bauanleitungen und theoretische Grundlagen bekommt man leicht über
eine Suchmaschine im Internet (google) z.B.: [http://www.egbeck.de, http://www.bkainka.de].
Kurze Theorie zum Verständnis des biologischen Prinzips vom additiven Farbsehen:
Das menschliche Auge verfügt über drei Zapfentypen die das Licht in unterschiedlichen
Spektralbereichen absorbieren.
Die menschliche Retina enthält
Zapfentypen, die man
L-Typ (lange Wellenlänge)
M-Typ (mittlere Wellenlänge)
und
S-Typ (kurze (short)
Wellenlänge) genannt hat.
36
Die verschiedenen Farbeindrücke werden durch unterschiedliche Erregungsstärken der
einzelnen Zapfensorten ausgelöst.
Die gleiche Erregung aller Zapfen führt zu dem Eindruck weiß.
B.)
Dieser Versuch eignet sich dann besonders gut als Erklärung ein biologisches Prinzip, wenn
im voraus (9. und 10. Jahrgangsstufe) bereits theoretische Kenntnisse über das (Farb-) Sehen
37
im Unterrichtsfach Biologie vermittelt wurden. Ideal sind dabei auch Verknüpfungen und
Hinführungen auf das Themas im Fach Physik, ebenfalls in der 9. und 10. Klasse. Aufgrund
dieser notwendigen Vorkenntnisse zum Verständnis des Experiments, eignen sich die beiden
Versuche für die Demonstration in der Oberstufe.
Möglich wäre allerdings auch der Einsatz des Versuchs als ein Impuls zu Beginn der
Unterrichtseinheit, ohne das erschlossene Vorkenntnisse der Schüler vorhanden sind. Sie
dürfen dann spekulieren warum dieses Phänomen entsteht, um neugierig und motiviert in die
theoretische Erarbeitung der Sequenz einzusteigen.
Da diese Versuche nur einen Ausschnitt des menschlichen Sehens repräsentieren, könnten sie
als ein möglicher Einstieg in die komplette Unterrichtseinheit „Sehen“ dienen. Danach bietet
es sich an, das menschliches Sehen in „Gänze“ (angemessen der Alterstufe) zu analysieren
und dies eventuell mit dem tierisches Sehen zu vergleichen. Außerdem erschließt sich die
Möglichkeit, über das Thema „Sehen“ in weitere Bereiche der Sinnesphysiologie
vorzudringen.
C.)
Diese Versuche eigenen sich gut zur Darstellung des additiven Sehens, da sie kaum
Modellcharakter besitzen und nicht erst in die Realität übersetzt werden müssen. Sie bieten
demnach gleich die Möglichkeit das dahinterstehende biologische Prinzip zu ergründen und
lassen viel Raum zum Eigenständigen analysieren der Schüler. Gibt man ihnen im voraus
genügend Informationen an die Hand, besteht die Möglichkeit, diesen Versuch zur Erprobung
bzw. Festigung des wissenschaftlichen Denkens und Arbeitens einzusetzen. Ein wenig in den
Hintergrund rückt bei diesem Experiment die eigene Aktivität der Schüler beim
Zusammenbauen, da es sich nicht um ein typisches Modell handelt, welches beim eigenen
Nachbauen besser verstanden und analysiert werden kann. Diese Versuche eigenen sich
vielmehr als Lehrerexperiment, und bringen Farbe und frische Impulse in den Unterricht.
Ein abschließender Verbesserungsvorschlag wäre, eine größere Fläche mit LEDs (ca.12
Stück) um das Phänomen noch eindrucksvoller darstellen zu können.
*Modell: Wärmeisolation der Körperoberfläche
Heer, Christina; Riediger, Sonja; Wiederhold, Nina
38
Versuch 1: Isolationseigenschaften verschiedener Materialien
A)
Versuchsbeschreibung
Material
Heizplatte, 4 100ml Erlenmeyerkolben, 4 Thermometer, Petrischale, Kaninchenfell,
Mehrzweckfett (einsetzbar von –30 bis 80°C), Stoff, Wasser.
Durchführung
Die 4 Erlenmeyerkolben werden mit je 100ml Wasser befüllt. In die Kolben wird je ein
Thermometer gesteckt. Die Kolben werden gleichzeitig auf die jeweilige Isolationsunterlage
auf der Heizplatte (40°C) gestellt. Dann wird der Temperaturverlauf der 4 Kolben in
Abhängigkeit von der Zeit gemessen:
Kolben 1 wird ohne Isolationsschutz gemessen.
Kolben 2 wird auf den Isolationsschutz Stoff gestellt.
Kolben 3 wird auf das Kaninchenfell gestellt und
Kolben 3 wird in eine mit Fett gefüllte Petrischale gegeben.
ABB 1: Versuchsaufbau: Der Isolationsschutz
von 3 Materialien wird untersucht.
Ergebnisse
39
Temperatur [°C]
Isolationseigenschaften verschiedener Stoffe
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
unisoliert
Fell
Stoff
Fett
0
10
20
30
40
Zeit [min]
ABB 2: Isolationseigenschaften verschiedener Stoffe (T vs. T)
Durch die verschiedenen Isolationsschichten wird die Wärme der Heizplatte verschieden stark
auf das Wasser in den Kolben übertragen. Je weniger sich das Wasser erwärmt, desto besser
ist der Isolationsschutz des jeweiligen Materials.
Anhand der Graphik ist gut zu erkennen, dass das Fell den besten Isolationsschutz bietet und
der unisolierte Kolben die meiste Wärme von der Heizplatte aufnimmt. Weiterhin isoliert
Stoff besser als Fett. Diese Geraden nähern sich jedoch mit fortschreitender Zeit einander an.
B)
Fragen zum Versuch
Dieser Versuch ist geeignet, um die Wärmeleitfähigkeit bestimmter Materialien, welche die
Körperoberfläche isolieren, zu demonstrieren. Er berücksichtigt allerdings nicht, dass die
Luftschicht im Fell oder unter der Kleidung ebenfalls einen schlechten Wärmeleiter darstellt.
Die sachliche Schlussfolgerung des Versuchs ist, dass gleichwarme Tiere ihre
Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur weitgehend konstant halten
müssen. Um dies zu gewährleisten, muss ihre Körperoberfläche / -bedeckung eine geringe
Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Dieser Versuch, der kein fachliches Wissen voraussetzt, ist als Einstieg in die
Unterrichtseinheit „Thermoregulation“ geeignet. Hierbei können noch folgende Themen
bearbeitet werden: (1) Welche Tiere nutzen welche Isolationsschicht, (2) Vasokonstriktion
und Vasodilatation, (3) Kühlen durch Verdunstung (Transpiration und Konvektion), (4)
Muskelzittern, (5) Gegenstromwärmeaustauscher etc.
Für sich gesehen eignet sich der Versuch für jede Altersstufe. Für höhere Klassen ist er jedoch
nur als kurzer Einstieg einsetzbar.
C)
Verbesserungsvorschläge
Als Alternative zu diesem Versuchsaufbaus wurde vorgeschlagen, die Kolben
vollständig mit Fell oder Stoff zu bedecken. Hierbei ergibt sich jedoch das
Problem, dass dies mit Fett, welches einen wichtigen Wärmeisolator darstellt,
schwer möglich ist.
Als Versuchsergänzung zum Thema Transpiration / Verdunstungskälte könnte man
ein Thermometer mit einem feuchten Stoff einschlagen und diesen dann in den
Luftstrom eines Ventilators geben.
40
Zur Auswertung des Demonstrationsversuchs sollte der Temperaturverlauf über einen
längeren Zeitraum beobachtet werden und von den Schülern durch eine Graphik (T vs t)
festgehalten werden.
Versuch 2: BERGMANNsche Regel
A)
Versuchsbeschreibung
Material:
100ml Rundkolben, 250ml Rundkolben, Wasserkocher, Trichter, 2 Thermometer, Stoppuhr.
Durchführung:
Wasser wird mit dem Wasserkocher erhitzt und mit Hilfe eines Trichters dem Volumen der
Kolben entsprechend in diese gefüllt. Dann werden bei beiden Kolben alle 30 sek. die
Temperaturen abgelesen. Dadurch wird der Wärmeverlust pro Zeiteinheit von beiden Kolben
festgestellt.
ABB 3: Versuchsaufbau „BERGMANNsche Regel“
Ergebnisse:
Das Wasser im 250ml Kolben kühlt sich langsamer ab als das Wasser im 100ml Kolben.
Folglich ist der Wärmeverlust des kleinen Kolbens größer.
B)
Fragen zum Versuch
Mit Hilfe dieses Versuches wird die BERGMANNsche Regel nachgewiesen: Gleichwarme
Tiere einer Art und Arten eines Verwandtschaftskreises haben in kälteren Gebieten eine
durchschnittlich höhere Körpergröße als in wärmeren Gebieten.
So kommen die größten Pinguinarten (Kaiserpinguin, 1m) in der Antarktis vor. Die kleinste
Art (Galapagos-Pinguin, 50cm) in der Nähe des Äquators (s. Anhang).
Auch die Größe von Füchsen, Rehen oder Wildschweinen nimmt von Skandinavien zu den
Mittelmeerländern hin deutlich ab.
Für die Wärmeabgabe ist die Oberfläche der Tiere maßgebend. Für die Stoffwechselrate und
damit die Wärmeproduktion das Volumen.
Je größer also die Tiere sind, desto geringer ist die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen
und desto weniger Wärme kann über die Körperoberfläche abgegeben werden. Je kleiner die
41
Tiere sind, desto größer ist die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen und desto größer ist
auch der Wärmeverlust (s. Anhang).
Dieser Versuch ist in der Ökologie in dem Themenbereich „abiotische Umweltfaktoren Wärme“ einzuordnen. Im weiteren Unterrichtsverlauf kann die BERGMANNsche Regel auf
wechselwarme Tiere angewendet werden. Hier nimmt nämlich die Körpergröße mit
zunehmendem Breitengrad ab. Ergänzend zur BERGMANNschen Regel kann die
ALLENsche Regel durchgenommen werden oder der Einfluss der Temperatur auf Pflanzen
(Vegetationsgürtel, Höhenstufen etc.). Des weiteren können Tolleranzkurven und ökologische
Nischen der Tiere besprochen werden. Als weitere abiotische Umweltfaktoren seien neben
der Temperatur auch das Licht und das Wasser erwähnt.
Als fachliches Vorwissen sollten die SchülerInnen das Volumen und die Oberfläche einer
Kugel berechnen können. Als vorangegangene Thematik sollten die SchülerInnen ebenfalls
den Unterschied zwischen wechselwarmen und gleichwarmen Tieren kennengelernt haben.
Dieser Versuch ist für die Oberstufe als Schülerversuch geeignet.
Die Demonstration der Tierkörper durch die Kolben ist hier nur sehr abstrakt dargestellt und
erfordert deshalb von den Schülern Transferdenken.
C)
Verbesserungsvorschläge
Als Alternative zu dem Versuch wurde vorgeschlagen, zwei unterschiedlich große Kartoffeln
eine bestimmte Zeit zu kochen und anschließend zu prüfen, welche Kartoffel mehr Wärme
über ihre Oberfläche aufgenommen hat.
Zur Auswertung des Schülerversuchs sollte auch hier der Temperaturverlauf über einen
längeren Zeitraum beobachtet werden und von den Schülern durch eine Graphik (T vs. t)
festgehalten werden.
Literatur:
www.webmic.de/Klima1.htm
D)
Anhang (Folie)
ABB 4: Größenvergleich und Verbreitung bei Pinguinen (BERGMANNsche Regel)
42
ABB 5: Vergleich von Volumen-Oberflächenverhältnis verschieden großer Kolben.
Muskelbiologie
Ausrüstung
mit
in
Schulen
einsetzbarer
Fadavi, Azadeh; Koch, Dorothea; Novak, Alexandra
43
44
45
46
Diskussion und Verbesserungsvorschläge
Man kann sich die Frage stellen, ob das von uns konstruierte Modell für den Einsatz im
Biologieunterricht in der Schule geeignet ist.
Trotz mancherlei Schwierigkeiten denken wir, dass dieser Versuch gut mit Schülern
durchführbar ist.
Da in der Schule meistens nur mit plastischen Modellen gearbeitet wird, finden wir es gut das
Thema am menschlichen Körper darzustellen.
Da der Versuch sehr anschaulich ist, trägt er zu einem Lernerfolg bei.
Vorher muss aber im Unterricht das Thema Muskel- und Nervensystem durchgenommen
worden sein, somit ist dann auch der Versuch leicht verständlich.
Unsere Kursteilnehmer bestätigten uns dies auch in einer Diskussion.
Trotzdem müssen paar Verbesserungsvorschläge vorgenommen werden:
47
Da die Elektroden schlecht zu befestigen waren, wäre es eine Möglichkeit, die Elektroden
unter einer Bandage einzuarbeiten und für den Kontakt zwei Löcher in die Bandage zu
schneiden.
Zu besseren Veranschaulichung könnte man das ganze noch an einem Laptop
(AKKUBETRIEBEN, da der Proband nicht am Stromkreis verbunden sein darf) mit Line-in
Eingang verbunden werden, damit die Potentiale für die Schüler sichtbar sind. Außerdem hat
dies den Vorteil, dass die Bilder gespeichert und besser verglichen werden können.
Literatur:
Schürmann, Heinrich, Igelmund, Gras, Übungen zur Physiologie und Ökologie im
Hauptstudium, Teil Zoophysiologie (animalische Physiologie), Göttingen 2004, S.13, 14
Zielbewegung und Entscheidungsgeschwindigkeit
bei Handbewegungen
Annalena Deuster, Tabea Frie, Nicole Heitmann
Versuchsbeschreibung
Skizze
Technische Angaben
Lichtschranke:
Die Lichtschranke wird über einen Photowiderstand geregelt. Wenn der Lichtstrahl, in
unserem Versuch benutzten wir einen Laserpointer, unterbrochen wird, fließt Strom
und die mit diesem Stromkreislauf verbundenen Lampen gehen an.
48
Auto:
Auf dem Wagen befindet sich eine Leuchtdiode, die mit einer Flip- Flop- Schaltung
verbunden ist. Über regelbare Widerstände kann dann die Frequenz der Lichtreize
eingestellt werden. In unserem Versuch war die Frequenz auf 100 Hz. eingestellt,
d.h. die Lampe flackerte mit einer Frequenz von 100 Hz.
Durch das definierte Aufleuchten der Lampe ist es möglich die Zeiteinheit eines
Standbildes der Videokamera in kleinere Einheiten zu Unterteilen.
Videokamera:
Zur Versuchsdurchführung muss die verwendete Kamera über eine
Einzelbildeinstellung verfügen. In unserem Fall war ein Einzelbild der Kamera 20ms
lang.
Zeiteinteilung:
Die Diode leuchtet 100 mal pro Sekunde; sie blinkt also jede 0,01 Sekunden.
Da ich eine Standbildlänge von 0,02 Sekunden habe, blinkt die Diode in diesem Bild
zweimal. Zwischen den einzelnen Leuchtreizen liegen demzufolge 0,01 Sekunden =
10 ms. Man kann das Standbild so in kleinere Einheiten einteilen.
Dieser Versuch im Unterricht
Der Versuch verdeutlicht, dass zwischen einem Reiz und der folgenden Reaktion
immer eine gewisse Zeit vergeht. Zu Themenbereichen wie Reizweiterleitung und
Reaktionsgeschwindigkeiten ließe sich dieser Versuch gut im Unterricht verwenden.
Das Interesse der Schüler an diesem Experiment wird dadurch gesteigert, dass sich
zu diesem Phänomen viele Bezüge zum Alltag herstellen lassen, so zum Beispiel
Reaktionsgeschwindigkeiten im Straßenverkehr.
Im Unterricht kann der Versuch als Einstieg zum Themenbereich Reizweiterleitung
gut verwendet werden, da er kein umfangreiches Vorwissen voraussetzt. Auch als
Vertiefungsversuch oder zum Abschluss des Themenbereiches kann er genutzt
werden, da er eine Möglichkeit bietet, das Gelernte eindrucksvoll zu präsentieren.
Einsetzbar ist der Versuch ab der neunten Klasse, da hier auch das Verständnis über
die theoretischen Grundlagen vorausgesetzt werden kann.
Kritik am Modell
Uns ist es auf Grund unserer geringen technischen Kenntnisse teilweise schwer
gefallen den Versuchsaufbau zu gestalten. Ohne Hilfe hätten wir das nicht geschafft.
Möchte man diesen Versuch also nachbauen und im Unterricht einsetzten, sollte
man sich dieser Anforderungen bewusst sein.
Auch der zeitliche Aufwand zum Bau des Versuchs ist nicht zu unterschätzen. Im
Unterricht allerdings ist dieser Versuch gut einzusetzen, da neben den oben
aufgeführten Vorteilen auch die Versuchsdurchführung im Rahmen einer
Unterrichtsstunde möglich ist.
Aus der Diskussion mit dem Plenum ergab sich der Verbesserungsvorschlag, die
Kamera über dem Versuchsbrett zu installieren. Sicherlich würden dadurch besser
49
ablesbarere Bilder entstehen, doch räumlich ist dieser Vorschlag oft schwer
umzusetzen.
*Registrierung schneller Bewegung mit LEDStroboskop
Vorbemerkung: Nach einigen Probedurchgängen stellte sich heraus, dass die
Bewegungen der Gleichgewichtskompensation auch durch einfache Analyse der
Video-Einzelbilder zu erfassen sind. Das vorhandene LED-Stroboskop wurde daher
nicht eingesetzt. Man hätte sich hier trotzdem mehr Bezug zu den eigentlichen
Ergebnissen des Versuchs gewünscht.
R.Hustert
- Kompensationsbewegungen Beerlink, Johannnes
Das Projekt:
Ziel war es, ein Projekt zu finden, um alltägliche Reaktionen des Gleichgewichtssystems des Körpers zu entdecken. Besonderes Augenmerk hat dabei die
Kompensationsbewegung beim Stolpern oder anderen, äußeren Reizen gespielt, die
das Hinfallen verhindern soll.
Um diese Kompensationsbewegung auszulösen wurde unter ein Holzbrett der Größe ca.
30*80 cm in der Mitte ein weiteres, kleines Brett geschraubt (30*ca. 8 cm), welches als
Wippe fungierte. Es wurden zwei kleine Holzklötze angefertigt, die exakt unter das Brett
passen (ebenfalls ca. 8 cm hoch), und an den beiden Seiten unter die Wippe gesetzt. An den
Klötzen war jeweils eine mindestens ein Meter lange Schnur befestigt. Auf diese Wippe
konnte sich eine Versuchsperson stellen, eine weitere Person hat dann einen der beiden Klötze
mit Hilfe der Schnur weggezogen und so für ein Kippen der Wippe gesorgt.
Die Versuchsperson kippte zu einer ihr zuvor unbekannten Seite und musste mit einer
Kompensationsbewegung beginnen. Die Arme der Versuchsperson schnellten nach oben und
die Knie bewegten sich entsprechend der „Fallrichtung“, so dass die Körperachse stets
vertikal verlief (daher ist eine Versuchsperson mit liniertem Muster auf dem Oberteil zur
besseren Veranschaulichung von Vorteil). Im Anschluss an die Kompensationsbewegung
folgte eine Überkompensationreaktion, die ebenfalls vom Körper ausgeglichen werden
musste. Denn da der Körper nicht die exakte Energiemenge ermitteln kann, mit der eine
Kompensation ausgeführt werden muss, verwendet er zur Sicherheit mehr als evtl.
erforderlich ist. Dadurch kommt es zu einer zu weiten Ausgleichbewegung, die ebenfalls
kompensiert werden muss, aber schon zum Teil bewusst durch die Versuchsperson gesteuert
werden kann.
Die gesamte Reaktion wurde mit der Kamera festgehalten, um die einzelnen Teilschritte der
Kompensationsbewegung genau zu verdeutlichen. Durch die langsame Abfolge der einzelnen
Standbilder waren diese gut erkennbar. Eine Leuchtdiode (LED) sollte die sehr schnellen
Bewegungen verdeutlichen. Sie ist in der Lage, die 50 Hertz des Fernsehers durch eine
eigene, einstellbare Frequenz von z.B. 200 Hertz zu erhöhen und so während der einzelnen
Standbildersequenzen noch für eine Sichtbarkeit der Bewegungen zu sorgen. Es können dann
während des „Standbildes“ vier kurze Blinksignale gesehen werden.
50
Beurteilung:
Ein großer Vorteil des Projektes ist sicherlich die einfache Herstellung der Wippe.
Auch die Durchführung des Versuchs ist einfach zu gestalten. Voraussetzung einer
detaillierten Aufzeichnung und möglichen Interpretation ist aber ein Fernseher, ein
Videogerät und eine Kamera, mit der diese Aufnahmen möglich sind.
Auf die Diode kann in diesem Experiment auch verzichtet werden, wie sich gezeigt
hat. Denn die Ausgleichbewegungen sind nicht so schnell, als dass sie nicht in den 50
Hz Sequenzen des Fernsehers gezeigt werden könnten. Um Reflexe und deren
zeitlichen Verlauf zu bestimmen ist die Diode da schon sinnvoller.
Jetzt stellt sich die Frage, ob der Versuch auch die erwünschten Resultate zeigt.
Hierzu muss man sagen, dass die unterschiedlichen Versuchspersonen auch
unterschiedlich auf das Wegziehen des Klötzchens reagiert haben. Bei zwei Personen
ergab sich der gewünschte Effekt. Es war eine eindeutige Kompensationsbewegung
wie in der Projektbeschreibung aufgeführt zu erkennen. Bei einer dritten
Versuchsperson ergab sich der Effekt erst beim zweiten Versuch in abgeschwächter
Form und bei einer vierten Person konnte gar keine Ausgleichbewegung festgestellt
werden, da diese sofort mit dem entsprechenden Fuß fest auf dem Boden stand.
Bei den zwei erfolgreichen Versuchen konnte die Veränderung der Körperhaltung und
das Heraufschnellen der Arme gut beobachtet werden. Der Körper versucht dabei
ständig seine Achse im Lot zu halten. Dies ist für die Orientierung im Raum und für
das Halten des Gleichgewichts sehr wichtig. Der Körper registriert eine
Beschleunigung (hier: Linearbeschleunigung) in eine bestimmte Richtung und
vergleicht die Information mit der Lage im Raum (visuelle Information) und der
aktuellen Körperhaltung (Rezeptoren in den Gelenken und Muskeln). Daraus erfolgt
dann eine Gegenreaktion, die Kompensationsbewegung.
Eine weitere Möglichkeit, den Versuch zu spezifizieren wäre, der Versuchsperson
eines der für das Gleichgewichtssystem verantwortlichen Sinne zu nehmen. So
könnten z.B. die Augen verbunden werden. Der Körper hat dann keine Möglichkeit
mehr, mittels visueller Informationen die Lage im Raum zu bestimmen. Eine
Kompensationsbewegung wäre daher wesentlich stärker oder in eine andere Richtung
zu erwarten. Dies ist bei einer evtl. Durchführung auch zu beachten (Verletzungs51
gefahr). Auch könnte die genaue Geschwindigkeit der Kompensationsbewegung
gemessen werden. Hierfür ist z.B. die Diode hilfreich, da die genaue Taktfrequenz
bekannt ist. So kann mittels der gemessenen Strecke und der entsprechenden Zeit die
Geschwindigkeit und evtl. auch die Beschleunigung berechnet werden. Diese können
wieder darüber Aufschluss geben, ob die Kompensationsbewegung willkürlich oder
bewusst geschehen ist. Denn bewusste und gezielte Bewegungen sind meist langsamer
oder weniger kraftvoll als Reflexreaktionen.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass das Projekt durchaus den gewünschten Effekt
hervorbringen kann. Die Zuverlässlichkeit ist allerdings nur eingeschränkt gegeben.
Durch eine feinere Ausarbeitung und eine genaue Abstimmung der Wippe auf die
jeweilige Testperson könnte diese sicher verbessert werden. Ob der Aufwand für das
gewünschte Resultat aber sinnvoll ist bleibt jedem Tester selbst überlassen.
Anwendbarkeit in der Schule:
Aufgrund der Einfachheit und auch schnellen Umsetzbarkeit hat das Projekt sicherlich gute
Voraussetzungen für den Schulunterricht. Und ein Fernsehapparat, Videogerät und eine
Kamera sind in den meisten Schulen vorhanden. Zudem kann der Lehrer eine Wippe in kurzer
Zeit für die Biologiesammlung anfertigen oder noch besser durch Schüler (z.B. im
Werkunterricht) anfertigen lassen.
Gerade so ein Modellversuch ist eine wichtige und gut umzusetzende Methode,
wissenschaftliches Arbeiten in der Schule anzuwenden. Mit dem Hintergrund, dass
Schüler selbst vor die Aufgabe gestellt werden, ein Modell oder einen Lösungsweg für
das Gleichgewichtssystem zu entwickeln, kann wissenschaftliches Denken und
Arbeiten schon in der Schule erlernt werden. Dies wird nicht zuletzt durch die in
Gymnasien eingeführte Facharbeit belegt, die in der 12. Klasse zu verfassen ist.
Kleinere Projektarbeiten können aber sicher auch schon früher gefördert werden.
Durch den praktischen Aspekt des Projektes kann den Schülern sehr einfach das
vermittelt werden, was sie zuvor in der Theorie gelernt haben.
So ist das Thema Gleichgewichtssystem ein spannendes und auch wichtiges Thema in
der Sekundarstufe 1. Die Schüler können den Zusammenhang zwischen den einzelnen
Sinnen und ihre jeweilige Funktion besser kennen und verstehen lernen.
Muskelaufbau und Funktion in Hinblick auf die dort eingebauten Rezeptoren sind ein
Weg, die vielen Funktionen und Möglichkeiten des Auges ein weiterer und letztlich
52
der Aufbau und die Funktion des Ohres ein dritter Weg, um auf das Thema
Gleichgewichtssystem hinzuarbeiten. Und hier bietet das Thema zudem eine
hervorragende Möglichkeit, die Themenbereiche um das Gleichgewichtssystem
miteinander zu vernetzen oder Unterrichtsteile zu wiederholen, wie es im Modell des
Spiralcurriculums gefordert wird.
Der Effekt des Versuches, ein eindrucksvoll ein komplexes System zu zeigen ist
sicherlich begrenzt. Dennoch kann der Versuch durchaus hilfreich sein, die
übergreifenden Sachverständnisse zu stärken.
Einbau in den Unterricht:
Der Versuch wird mit Auswertung der Videobilder und einem anschließenden
Gespräch ca. 1 Schulstunde einnehmen. Durch die Art des Versuchs ist dabei die
Unterstützung der Schüler als relativ sicher anzusehen, denn die Schüler können selbst
mitarbeiten und auch an der Thematik und dem Einsatz von technischen Geräten im
Unterricht Freude finden. Den Versuch als einen Teil einer Projektarbeit von Schülern
durchführen zu lassen stärkt zudem die Eigeninitiative der Schüler.
Technischer Einsatz und technisches Verständnis werden durch den Einsatz von
Kamera oder Diode gefördert.
Zu welchem Zeitpunkt der Unterrichtsphase der Versuch am besten geeignet ist, kann meiner
Meinung nach variabel gestaltet werden. So würde er sich als Einleitung der
Unterrichtseinheit eignen, um das Interesse der Schüler zu wecken. Aber auch die
Möglichkeit des praktischen Belegs für das Erlernte steht offen. Dies ist dem Lehrer in seiner
Planung frei überlassen.
Der Gleichgewichtssinn
Vorbemerkung
Entgegen der vielleicht allgemein herrschenden Meinung braucht man den Sinn
fürs Gleichgewicht nicht nur zum Halten desselben, sondern auch zur
Orientierung im Raum. Um dieser Aufgabe zu genügen werden neuronal
mehrere Informationen miteinander verrechnet, die alle zum Gleichgewicht
beitragen. Dies unterscheidet ihn von anderen Sinnen wie z.B. dem Sehsinn,
dessen Wahrnehmung nur aus dem von Photorezeptoren gemessenen Licht
resultiert.
Folgende Wahrnehmungen bzw. Informationen führen zum Sinn für das
Gleichgewicht bzw. zur Orientierung im Raum:
53
1) die Drehbeschleunigung:
2) die Linearbeschleunigung:
3) die Körperhaltung:
(4) die visuelle Information:
wird in den Bogengängen des
Labyrinths gemessen
wird in der Macula (Utriculi,
Sacculi ) des Labyrinths
gemessen.
wird mit sog. somatischen
Rezeptoren in Gelenken,
Sehnen, Muskeln gemessen
des Auges
Ein weiterer Unterschied zu anderen Sinnen ist, dass wir die meisten
Wahrnehmungen nicht bewusst erfahren. Beispiel:
1)
laufen, stolpern:
Beim Laufen oder stehen halten wir nicht bewusst das
Gleichgewicht, vielmehr tun wir dies unbewusst. Wenn wir dann
einmal wegen Unachtsamkeit stolpern so registriert unser
Gleichgewichtsapparat auf eine unerwartete Beschleunigung in
eine „falsche“ Richtung. Diese Information zusammen mit
Informationen über unsere aktuelle Körperhaltung von den
somatischen Rezeptoren führen zu einer Gegenreaktion, die das
stolpern abfangen soll, noch bevor uns bewusst wird, dass wir
stolpern.
2)
Kompensationsbewegungen:
Bei Bewegungen jeglicher Art verändern wir unsere relative
Stellung des Kopfes zum Raum.
Damit unser Blickfeld dann aber dasselbe bleibt, müssen wir mit
den Augen korrigierende Bewegungen durchführen. Dies
geschieht unbewusst, auf Grund von Informationen aus den
Bogengängen über die Drehbeschleunigung.
Durch die Vielfalt der Informationen, die zu diesem Sinn beitragen besteht eine
große Anzahl von Kompensationsmöglichkeiten in der Gewichtung. So kann
man trotz eingeschränkter Funktion des Gleichgewichtsapparates noch gehen,
da die fehlenden Informationen durch visuelle Informationen kompensiert
werden. Ein Fehlen einer Information führt zu einer schlechteren
Wahrnehmung, das Widersprechen von einzelnen Informationen zum
Schwindel bzw. Unwohlsein.
Beispiel:
Seekrankheit:
Widerspruch
von
Visuellenund
Beschleunigungsrezeptoren.
Die Reiztransduktion im Gleichgewichtsapparat
Beim Menschen und den meisten anderen Säugern ist der
Gleichgewichtsapparat im Innenohr lokalisiert. Hinter dem ovalen Fenster liegt
54
der Vestibularapparat mit zwei Kammern, dem Utriculus und Sacculus, sowie
den drei Bogengängen.
Die drei Bogengänge sind in den drei Ebenen des Raumes ausgerichtet und
haben an ihrer Basis eine Verdickung, die als Ampulle bezeichnet wird.
Abb. 1 Bildnachweis: GleichgewichtsOrientierungssinn. Donald E. Parker
und
In jeder Bogengangsampulle steht eine
Gruppe von Haarzellen, deren Cilien in
eine gallertartige Masse ragen, die
Cupula die bis zum Dach der Ampulle
reicht.
Abb. 2 Bildnachweis: Gleichgewichts- und
Orientierungssinn. Donald E. Parker
Wenn nun der Kopf gedreht wird, bleibt die Endolymphe träge zurück:
Sie
drückt
damit auf die Cupula, die
sich ausbeult
und
die
Haarbündel
abbiegt.
Abb. 3. Bildnachweis
In Utriculus und Sacculus ragen die Haarbüschel in ein galleartiges Netzwerk
aus Eiweißmolekülen, dass man als Statolithenmembran bezeichnet. Auf ihrer
55
Oberseite häufen sich kleine Kristalle, die sogenannten Statokonien, die eine
wesentlich höhere Dichte als die umgebende Endolymphe besitzen. Bei einer
Beschleunigung des Kopfes bleiben sie träge hinter der Körperbewegung
zurück, was sich auf die Cilien der Sinneshaare überträgt und sie
entgegengesetzt zur Beschleunigung abbiegt.
Die neuronale Verschaltung
Die einzelnen Elemente des Gleichgewichts- und des Orientierungssystems sind
auf vielfältige Weise verschaltet. Die vestibulären-, visuellen- und somatischen
Rezeptoren schicken ihre elektrischen Impulse in drei Untereinheiten des
Zentralnervensystems: das Vestibulo-Cerebellum, die vestibulären Kerne und
die Retikularisformation. Nach dem die eingegangenen Signale verarbeitet
wurden, geben die vestibulären Kerne die Information an eines der beiden
Ausführenden Zentren und an den Thalamus weiter.
Nur die vom Thalamus registrierten Informationen werden bewusst
wahrgenommen
Abb. 4 Bildnachweis: A.J. Parker, Spektrum
Die Haarzellen des Innenohrs
56
Verwendete Kleingeräte: Funktionen und Selbstbau
a) Differenzverstärker
+9 V
10 µF
R2
1M
R1
1K
2
11
E1
TL074CDP
R1’
1
A
4
3
1K
E2
R2’
1M
10 µF
-9 V
57
Man benutzt Differenzverstärker, um Störsignale zu unterdrücken. 2 Messelektroden werden
nebeneinander auf einem Nerv oder Muskel angebracht, so dass Potentialänderungen
zeitversetzt registriert werden, während Störsignale, die sich annähernd mit
Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten, zeitgleich von den Elektroden und Kabeln
aufgenommen werden. Der Verstärker hat 2 Eingänge, wobei das Signal am 2. Eingang
invertiert wird. Im Verstärker werden die Signale voneinander abgezogen, so dass sich die
zeitgleich auftretenden Störsignale gegenseitig auslöschen, während die zeitversetzt
auftretenden Muskel/Nervenpotentiale erhalten bleiben.
aus dem Skript „Übungen zur Physiologie und Ökologie im Hauptstudium, Teil Zoophysiologie“
An sich ist der Operationsverstärker (TL074CDP) schon ein richtiger Differenzverstärker.
Dummerweise ist der Verstärkungsfaktor viel zu hoch und damit unbrauchbar. Diese
Schaltung verringert unter Zuhilfenahme von zwei Spannungsteilern den Verstärkungsfaktor.
Diese Schaltung funktioniert nur, wenn R1=R1’ und R2=R2’ sind, damit die Symmetrie der
Eingangssignale stimmt.
Der Verstärkungsfaktor wird durch das Verhältnis R1/R1’ bzw. R2/R2’ bestimmt. Die
Verstärkte Spannungsdifferenz ist nichts anderes als Ue2-Ue1. Die Ausgangsspannung
berechnet sich wie folgt: Ua=R2/R1 * (Ue2-Ue1)
Materialliste
Operationsverstärker TL074CDP
2 Kondensatoren 10 µF
Widerstand 1 MΩ
Widerstand 1 KΩ
2x
2x
2x
0,65 €
0,12 €
0,13 €
0,13€
0,65 €
0,24 €
0,26 €
0,26 €
58
1,41 €
weitere Informationen: http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/diffamp.htm
b) Stroboskop als Blinkende Leucht-Diode (astabile Kippstufe)
In diesem Fall wird die Schaltung einer „astabilen Kippstufe“ dazu benutzt, eine Leuchtdiode
blinken zu lassen. Die Blinkfrequenz kann über die beiden Potentiometer eingestellt werden.
59
Materialliste
NE555
Widerstand 560 W
Leuchtdiode
Kondensator 10 nF
Poti 25K-K
Poti
Transistor CDIL BC 107B
2x
0,33 €
0,13 €
4,99 €
0,17 €
0,26 €
0,26 €
0,54 €
0,33 €
0,26 €
4,99 €
0,17 €
0,26 €
0,26 €
0,54 €
6,81 €
weitere Informationen: http://hraeuchle.bei.t-online.de/inhalte/dig_grundsch/m10_010fst.htm
c) Lichtschranke (Sensor für Auslösung)
Die Lichtschranke ist so geschaltet, dass bei Abdunklung des Fotowiderstandes der
Stromkreis geschlossen wird und eine der Dioden leuchtet, je nachdem, welche über den
Schalter aktiviert ist.
60
Fotowiderstände bieten sich ideal für den Bau von
Lichtschranken, Lichtrelais, Dämmerungsschalter,
Zähleinrichtungen, Alarmanlagen, Lichtüberwachung o.a.
an. Kenndaten: (bei Farbtemperatur 2700 K) Widerstand
bei 1000 IX, 75 bis 300 Ω · Widerstand bei völliger
Dunkelheit 30 min nach Lichtsperrung: 10 MΩ · Kapazität:
6 pF · Grenzdaten: UB = max. 150 V, P (40º) = max. 0,2
W.
Materialliste
Fotowiderstand
Poti 5K-K
Transistor BC140-16
Widerstand 700 Ω
LED
1,05 €
0,26 €
0,54 €
0,13 €
0,10 €
1,05 €
0,26 €
0,54 €
0,13 €
0,10 € (blau ist teurer)
2,08 €
d) VCO (voltage controlled oscillator/ spannungsgesteuerter
Oszillator)
Bei einem VCO handelt es sich um einen elektrischen Schwingungserzeuger, dessen
Frequenz abhängig von der angelegten Spannung ist. In diesem Fall wird die Spannung über
einen veränderbaren Widerstand in Form eines Drucksensors variiert.
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Drucksensor
Drucksensoren sind
ähnlich wie
Folienschalter, ändern
aber, im Gegensatz zu
konventionellen
Schaltern, den
Widerstand bei in
Normalrichtung
aufgebrachtem Druck.
Ein Fingerdruck von 10 g
bis 10 kg auf einen
Sensor bewirkt, dass der
Widerstand von ca. 2 MΩ
auf ca. > 3 kΩ abfällt, ca.
10000000 Auslösungen
62
Materialliste
Drucksensor
CD4046B
Kondensator 100 nF
Poti 10K-K
Transistor BC 140
Widerstand 1 KΩ
Widerstand 2,2 KΩ
Widerstand 1 MΩ
Lautsprecher
7,95 €
1,68 €
2,85 €
0,26 €
0,54 €
0,13 €
0,13 €
0,13 €
1,30 €
63
7,95 €
1,68 €
2,85 €
0,26 €
0,54 €
0,13 €
0,13 €
0,13 €
1,30 €
14,97 €